一种硼硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于电极材料技术领域，特别涉及一种硼硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。一种硼硫共掺杂多孔碳材料，包括多孔碳和掺杂在所述多孔碳表面和孔隙中的B和S；所述B的掺杂含量为5.56～7.85wt.％，S的掺杂含量为0.90～1.55wt.％。实施例测试结果表明，本发明专利技术提供的硼硫共掺杂多孔碳材料的B、S掺杂含量高，孔隙丰富；在三电极体系、0.5A

【技术实现步骤摘要】
一种硼硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于电极材料
，特别涉及一种硼硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]超级电容器具有充放电快速、能量密度大和循环性能优异的优点。多孔碳材料是超级电容器常见的电极材料。生物质多孔碳材料具有丰富的孔结构，有利于电子的运输，进而提升其电化学性能，以生物质为前驱体转化的生物质多孔炭材料，得到了超级电容器研究人员的广泛关注。电极表面化学性质是影响碳基超级电容器性能的因素之一，电解质离子的传输优良与否取决于电极碳材料的润湿性的高低。B、S等掺杂原子可以提高碳材料表面与所用电解质溶液的润湿能力，能够增强表面润湿性并提供更多的电化学活性反应点；掺杂原子还可以为碳材料提供额外的赝电容贡献。
[0003]目前，大部分碳材料的掺杂工作大多是在单原子上进行，制备的材料掺杂原子含量低，得到的掺杂多孔碳材料能量密度和循环寿命等电化学性能欠佳。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种硼硫共掺杂多孔碳材料及其制备方法，本专利技术提供的硼硫共掺杂多孔碳材料掺杂原子含量高，有利于获得能量密度高且循环寿命长的性能，满足超级电容器电极的使用需求。
[0005]为了实现上述专利技术的目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种硼硫共掺杂多孔碳材料，包括多孔碳和掺杂在所述多孔碳表面和孔隙中的B和S；所述B的掺杂含量为5.56～7.85wt.％，S的掺杂含量为0.90～1.55wt.％。
[0007]优选的，所述硼硫共掺杂多孔碳材料的孔径为2～5nm，比表面积为 360～400m2/g。
[0008]本专利技术还提供了上述技术方案所述硼硫共掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009]将生物碳源、硼酸、氯化锌、硫脲和水混合，去除水后得到混合原料粉；
[0010]保护气条件下，将所述混合原料粉进行焙烧，得到焙烧粉；
[0011]将所述焙烧粉进行酸洗，得到所述硼硫共掺杂多孔碳材料。
[0012]优选的，所述生物碳源包括八宝茎秆、核桃青皮、小麦秸秆和玉米秸秆中的一种或多种。
[0013]优选的，所述生物碳源的目数为50～200目。
[0014]优选的，所述生物碳源和硼酸的质量比为1：(0.5～1.5)；
[0015]所述生物碳源和氯化锌的质量比为(0.8～1)：(1～1.2)；
[0016]所述生物碳源和硫脲的质量比为(0.8～1)：(1～1.2)。
[0017]优选的，所述焙烧的温度为400～1000℃；时间为1～6h。
[0018]优选的，所述焙烧的温度由室温升温得到；所述升温的速率为2～10℃ /min。
[0019]本专利技术还提供了上述技术方案所述硼硫共掺杂多孔碳材料或上述技术方案所述制备方法得到的硼硫共掺杂多孔碳材料作为电极材料的应用。
[0020]优选的，所述应用为在超级电容器中的应用。
[0021]本专利技术提供了一种硼硫共掺杂多孔碳材料，包括多孔碳和掺杂在所述多孔碳表面和孔隙中的B和S；所述B的掺杂含量为5.56～7.85wt.％，S的掺杂含量为0.90～1.55wt.％。本专利技术提供的硼硫共掺杂多孔碳材料B和S掺杂含量高，更高含量的B、S掺杂原子可以提高碳材料表面与所用电解质溶液的润湿能力，能够增强表面润湿性并提供更多的电化学活性反应点；同时，较高含量的掺杂原子B、S可以为碳材料提供更高的额外的赝电容，从而提高掺杂多孔碳材料能量密度和循环寿命等电化学性能。
[0022]实施例测试结果表明，本专利技术提供的硼硫共掺杂多孔碳材料的B、S 掺杂含量高，孔隙丰富；在三电极体系、0.5A
·
g
‑1时显示出最大比电容为 168～290.7F
·
g
‑1，组装成对称超级电容器后，在中性电解液体系下具有 11.3～16.65Wh
·
kg
‑1的超高能量密度，且在10000次寿命测试后具有 97.09～100.67％的电容保持率。
[0023]本专利技术还提供了上述技术方案所述硼硫共掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物碳源、硼酸、氯化锌、硫脲和水混合，去除水后得到混合原料粉；保护气条件下，将所述混合原料粉进行焙烧，得到焙烧粉；将所述焙烧粉进行酸洗，得到所述硼硫共掺杂多孔碳材料。在本专利技术中，氯化锌作为活化剂，在高温下蒸发，氯化锌分子进入碳内部作为骨架，碳聚合物被碳化并沉积在骨架上，经酸洗后，ZnCl2被去除，形成发育良好的孔隙结构。这种分层多孔结构提供了一个具有互连和短离子扩散路径的导电网，用于快速电荷传输和离子迁移。硼酸和硫脲为多孔碳提供了丰富的硼和硫原子，硼原子可用作电催化剂，加速含O和含N等官能团的氧化还原反应，提供额外的赝电容；碳晶格中的B原子能够促进O2的化学吸附，从而形成具有反应性的碳表面；硫脲引入C
‑
S，这种n型掺杂剂S能够提供更多可逆的假位点和极化表面，而且，硫脲中含有的含硫官能团可作为高温下较大孔隙的支撑骨架，减少碳化过程中微孔的收缩，从而提供快速的离子传输。
附图说明
[0024]图1为对比例1的八宝茎秆碳粉的SEM图；
[0025]图2为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的SEM图；
[0026]图3为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的TEM图；
[0027]图4为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的XRD图；
[0028]图5为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的Raman谱图；
[0029]图6为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的氮气吸脱附谱图；
[0030]图7为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料的XPS谱图；
[0031]图8为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0032]图9为实施例2所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0033]图10为实施例3所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0034]图11为实施例4所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0035]图12为实施例5所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0036]图13为实施例6所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0037]图14为实施例7所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0038]图15为实施例8所得硼硫共掺杂多孔碳材料在三电极体系下的电化学测试结果；
[0039]图16为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料在以KOH为电解液的对称超级电容器体系中的电化学测试结果；
[0040]图17为实施例1所得硼硫共掺杂多孔碳材料在以Na2SO4为电解液的对称超级电容器体系中的电化学测试结果；
[0041]图18为实施例6所得硼硫共本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼硫共掺杂多孔碳材料，包括多孔碳和掺杂在所述多孔碳表面和孔隙中的B和S；所述B的掺杂含量为5.56～7.85wt.％，S的掺杂含量为0.90～1.55wt.％。2.根据权利要求1所述的硼硫共掺杂多孔碳材料，其特征在于，所述硼硫共掺杂多孔碳材料的孔径为2～5nm，比表面积为360～400m2/g。3.权利要求1或2所述硼硫共掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将生物碳源、硼酸、氯化锌、硫脲和水混合，去除水后得到混合原料粉；保护气条件下，将所述混合原料粉进行焙烧，得到焙烧粉；将所述焙烧粉进行酸洗，得到所述硼硫共掺杂多孔碳材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述生物碳源包括八宝茎秆、核桃青皮、小麦秸秆和玉米秸秆中的一种或多种。5.根据权利要求3或4所述的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦斌，李朝霞，王典，苏琼，庞少峰，康淑荷，赵向飞，梁丽春，康莉会，曹世军，魏帅，郤晓婷，田雨，王青，陈奇，王忠旭，
申请(专利权)人：西北民族大学，
类型：发明
国别省市：