一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，属于无机功能材料的合成技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：将可溶性非金属前驱物溶于水中形成均一水溶液，在水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物；将中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气并控制升温速率升温至热解碳化，所得材料在稀酸中浸泡后抽滤，经洗涤、干燥后得到非金属元素掺杂多孔碳基储能材料。本发明专利技术具有经济节约，处理工序简单，环境友好，便于规模化生产等特点，所制备的非金属元素掺杂多孔碳材料比表面积大、孔结构丰富、吸附能力强、导电性好、物理化学性质稳定，可作为高性能储能电极材料应用锂硫电池等储能领域。

Preparation of porous carbon based energy storage materials doped with nonmetallic elements

【技术实现步骤摘要】
一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法
本专利技术属于无机功能材料的合成
，具体涉及一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法。
技术介绍
多孔碳材料与普通碳材料相比具有大量的孔隙结构和巨大的比表面积，赋予了多孔碳材料优良的性能，如比表面积高、孔道结构丰富、吸附能力强、物理化学性能稳定、电化学性能优越等特点，被广泛应用于锂离子电池、超级电容器、锂硫电池，生物传感器等研究领域。为了满足人们对碳材料高比表面积和孔隙率的需求，研究者用不同活化剂在碳材料上刻蚀造孔，制备具有更多微孔和介孔结构的多孔碳材料。但是采用活化剂对碳材料进行刻蚀造孔工序繁琐，成本较高。同时在碳材料中掺杂杂原子，可以改变碳原子周围的电负性，改良局部电子云排布，可大幅提升碳材料的催化和储能特性。例如，公开号为CN106115654A的专利提出了将碳量子点、碱金属氢氧化物和杂原子源混合后煅烧制备杂原子掺杂的三维多孔碳材料的方法。公开号为CN106672938A的专利提出了以植酸为前驱体，通过微波碳化技术制备磷掺杂介孔碳材料的制备方法。公开号为CN107892301A的专利提出了以肌醇为前驱体，磷酸为微波吸收剂，水为造孔剂，通过微波碳化技术制备磷掺杂介孔碳的方法。公开号为CN108435229A的专利提出了一种通过气体模板法，将气体模板、氮化碳前驱体以及磷源混合研磨煅烧，制备磷掺杂多级孔道氮化碳纳米片的方法。公开号为CN108862242A的专利提出了一种将聚苯乙烯基中空聚合物纳米球分散在三氯化磷中制备磷掺杂中空碳材料的方法。公开号为CN106365143A的专利提出了一种利用四甲基硼酸钠改性的水滑石制备硼掺杂碳量子点的方法。公开号为CN108597894A的专利提出了一种利用四甲基硼酸钠改性的水滑石制备硼掺杂碳量子点的方法。公开号为CN108862250A的专利提出了一种利用硫氰酸铵和碳源混合充分后煅烧制备氮掺杂石墨烯的方法。公开号为CN109052366A的专利提出了通过将SiO2多孔微球作为模板，将对苯二胺与对苯二甲醛等发生聚合反应，制备氮掺杂多孔道中空碳纳米球合材料的方法。公开号为CN109078649A的专利提出了一种使用过渡金属氯盐和含氮有机小分子作为过渡金属源和碳、氮源得到过渡金属配位的大环混合物，再经碳化制备过渡金属-氮掺杂碳基复合材料的方法。公开号为CN105552372A的专利提出了一种利用碱化处理的葵花籽壳和乙二胺混合充分后焙烧制备N掺杂碳微米纤维材料的方法。但是上述所提出的技术普遍具有制备工艺繁杂，非金属元素掺杂量低，对环境危害较大，掺杂成本较高，不适合大规模生产，掺杂非金属元素单一，技术方法不具有普适性。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种经济节约、处理工序简单、环境友好且便于规模化生产非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，该方法采用商业化的高分子化合物聚丙烯酸钠作为碳源，利用其极强的吸水性吸收大量的含有非金属元素如硼、氮、磷、硫、氟的水溶液，制备具有疏松多孔结构且含有大量的硼、氮、磷、硫、氟等非金属元素杂原子掺杂的多孔碳材料。所制备的非金属元素掺杂多孔碳材料具有比表面积大、孔道结构丰富、吸附能力强、导电性好、物理化学性质稳定、电化学性能优越等优点，将其应用于锂硫电池正极材料，与未改性的碳材料相比，锂硫电池的容量密度和循环稳定性均得到大幅提升。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物溶于水中配制成浓度为0.1-2M的非金属前驱物水溶液，再在非金属前驱物水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，所述可溶性非金属前驱物为硝酸铵、氨水、三聚氰胺、氯化铵、氟化铵、硫化铵、硼酸、氨硼烷、磷酸或硫脲中的一种或多种；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气并以3-10℃/min的升温速率升温至800-1100℃碳化1-3小时，然后在稀硫酸中浸泡2-8小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素掺杂多孔碳基储能材料。优选的，步骤S1中所述聚丙烯酸钠与非金属前驱物溶液的质量比为1:1-1:5。优选的，步骤S2中所述保护气为氮气或氩气。优选的，所述非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,F掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物氟化铵溶于水中配制成浓度为0.1M的氟化铵水溶液，再在氟化铵水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与氟化铵水溶液的质量比为1:3；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气氮气并以3℃/min的升温速率升温至800℃碳化2小时，然后在稀硫酸中浸泡2小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素N,F掺杂多孔碳材料；制得的非金属元素N,F掺杂多孔碳材料具有交联的网状结构和丰富的孔道，所形成的N,F掺杂位点在材料中分布均一，该非金属元素N,F掺杂多孔碳材料用于制备锂硫电池，该锂硫电池在0.2C电流密度条件下，充放电100次后的容量密度为~890mAhg-1。优选的，所述非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,B掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物氨硼烷溶于水中配制成浓度为0.1M的氨硼烷水溶液，再在氨硼烷水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与氨硼烷水溶液的质量比为1:2；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气氮气并以5℃/min的升温速率升温至900℃碳化2小时，然后在稀硫酸中浸泡6小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素N,B掺杂多孔碳材料。优选的，所述非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,P掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物磷酸溶于水中配制成浓度为2M的磷酸水溶液，再在磷酸水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与磷酸水溶液的质量比为1:1；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气氮气并以10℃/min的升温速率升温至1100℃碳化1小时，然后在稀硫酸中浸泡8小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素N,P掺杂多孔碳材料。优选的，所述非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,S掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物硫脲溶于水中配制成浓度为1M的硫脲水溶液，再在硫脲水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与硫脲水溶液的质量比为1:3；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气氮气并以10℃/min的升温速率升温至1000℃碳化2小时，然后在稀硫酸中浸泡8小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素N,S掺杂多孔碳材料。优选的，所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物溶于水中配制成浓度为0.1‑2M的非金属前驱物水溶液，再在非金属前驱物水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，所述可溶性非金属前驱物为硝酸铵、氨水、三聚氰胺、氯化铵、氟化铵、硫化铵、硼酸、氨硼烷、磷酸或硫脲中的一种或多种；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气并以3‑10℃/min的升温速率升温至800‑1100℃碳化1‑3小时，然后在稀硫酸中浸泡2‑8小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素掺杂多孔碳基储能材料。

【技术特征摘要】
1.一种非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物溶于水中配制成浓度为0.1-2M的非金属前驱物水溶液，再在非金属前驱物水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，所述可溶性非金属前驱物为硝酸铵、氨水、三聚氰胺、氯化铵、氟化铵、硫化铵、硼酸、氨硼烷、磷酸或硫脲中的一种或多种；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气并以3-10℃/min的升温速率升温至800-1100℃碳化1-3小时，然后在稀硫酸中浸泡2-8小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素掺杂多孔碳基储能材料。2.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述聚丙烯酸钠与非金属前驱物溶液的质量比为1:1-1:5。3.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述保护气为氮气或氩气。4.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,F掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物氟化铵溶于水中配制成浓度为0.1M的氟化铵水溶液，再在氟化铵水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与氟化铵水溶液的质量比为1:3；步骤S2：将步骤S1得到的中间产物置于瓷舟中，并将瓷舟置于管式炉中，通入保护气氮气并以3℃/min的升温速率升温至800℃碳化2小时，然后在稀硫酸中浸泡2小时后抽滤，用二次水洗涤至中性，置于真空干燥箱中干燥得到超细非金属元素N,F掺杂多孔碳材料；制得的非金属元素N,F掺杂多孔碳材料具有交联的网状结构和丰富的孔道，所形成的N,F掺杂位点在材料中分布均一，该非金属元素N,F掺杂多孔碳材料用于制备锂硫电池，该锂硫电池在0.2C电流密度条件下，充放电100次后的容量密度为~890mAhg-1。5.根据权利要求1所述的非金属元素掺杂多孔碳基储能材料的制备方法，其特征在于非金属元素N,B掺杂多孔碳材料的具体制备步骤为：步骤S1：将可溶性非金属前驱物氨硼烷溶于水中配制成浓度为0.1M的氨硼烷水溶液，再在氨硼烷水溶液中加入聚丙烯酸钠，搅拌吸附后冷冻干燥得到中间产物，其中聚丙烯酸钠与氨硼烷水溶液的质量比为1...

【专利技术属性】
技术研发人员：武大鹏，刘未东，陈俊良，曹锟，高志永，徐芳，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41