一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法，属于炭材料制备技术与储能领域，先将煤沥青粉碎，过筛，与偏磷酸钾、焦硫酸钾按照一定的质量比称量、研磨、均匀混合，得到磷硫双掺杂多孔炭反应的前驱体；然后在惰性气体保护下，利用程序升温加热至反应终温，保持一段时间后，冷却至室温，经酸洗、干燥、研磨，得到磷硫双掺杂多孔炭。本发明专利技术制备的磷硫双掺杂多孔炭中磷硫杂原子为锌离子的吸附提供了额外的缺陷位点，同时增强了电子传输特性，其比表面积为725.1～986.3m2/g，总孔孔容为0.68～1.68cm3/g，与锌箔组装成锌离子混合电容器时，其比容可以达到217.5mAh/g,在1A/g电流密度下，经过10000次循环后容量保持率为99.8％。99.8％。99.8％。

【技术实现步骤摘要】
一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法


[0001]本专利技术属于炭材料制备与储能
，具体涉及一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法。

技术介绍

[0002]煤焦油沥青简称为煤沥青(缩写为CTP)是煤焦油经过蒸馏提取轻油、萘油、洗油、酚油和蒽油等化学馏分的残留物，约占煤焦油总量的50
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55％。CTP的组分非常的复杂，主要是四环以上缩合程度很高的芳烃，CTP的组成不仅与炼焦用煤的质量有关，也受生产焦炭工艺条件的影响，它的加工利用对整个煤焦油行业的发展至关重要。此外，CTP具有储量丰富、价格低廉以及碳化产物含量高等优点，若能将其作为新型炭材料的原料，可以极大地降低炭材料的生产成本，提高了煤化工工艺的经济性，也实现了能源的可持续利用。以CTP为原料可以制备出针状焦、活性炭、炭纤维、中间相炭微球、多孔炭以及石墨等炭材料。众所周知，炭材料是在纳米金属氧化物模板的限域空间内，利用强碱活化剂的剪裁作用制备的，纳米金属氧化物模板的使用，不仅提高了制备的成本，而且在后处理过程中需要使用大量的强酸，同时产生大量的废水；强碱活化剂的使用会对设备产生腐蚀，并引入部分杂质。另外，目前锌离子混合电容器的多孔炭电极材料普遍存在导电性能较差的问题。

技术实现思路

[0003]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法，以富含稠环芳烃的化工副产物煤沥青为碳源，偏磷酸钾为活化剂和掺磷剂，焦硫酸钾为掺硫剂和辅助活化剂，在加热过程中，煤沥青中的稠环芳烃融化包覆偏磷酸与焦硫酸钾，随着温度升高，偏磷酸钾分解，产生含钾的物质与含磷的物质，对碳基体进行活化，并取代碳基体中的碳，引入磷原子。此外，焦硫酸钾与碳基质发生反应，对碳基体进行活化造孔，并引入硫元素，形成分级孔结构。最后，通过蒸馏水洗涤干燥，得到磷硫双掺杂多孔碳，作为锌离子混合电容器的正极材料。具体技术方案如下：
[0004]一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0005]S1、反应物的预处理：将煤沥青粉碎，过500目筛，然后与偏磷酸钾、焦硫酸钾按照一定的质量比称量、研磨、均匀混合，得到磷硫双掺杂多孔炭反应的前驱体；
[0006]S2、磷硫双掺杂多孔炭的制备：把步骤S1中得到的反应物放入磁舟中，然后将上述磁舟置于管式炉的中心，先通氩气排出管式炉中的空气，然后继续以15ml/min的速率至反应结束，以5℃/min的升温速率加热到反应终温，恒温一段时间，冷却至室温后，产物经水洗、干燥、研磨、过筛后得到磷硫双掺杂多孔炭；
[0007]S3、锌离子混合电容器的制备：将磷硫双掺杂多孔炭与PTFE乳液按照1:9的质量比进行混合，然后擀制薄片，切成直径为12mm的圆片，干燥、称重，得到电极片。随后以锌箔为负极，碳电极片为正极，1mol/LZn(ClO4)2溶液为电解液，玻璃纤维为隔膜，组装成锌离子混
合电容器。
[0008]优选地，在步骤S1中，所述煤沥青占煤沥青、偏磷酸钾和焦硫酸钾总质量的1/7，煤沥青与偏磷酸钾的质量比为1/4。
[0009]优选地，在步骤S1中，所述煤沥青的质量为1g，偏磷酸钾的质量为4g，焦硫酸钾的质量为2g。
[0010]优选地，在步骤S2中，所述反应的温度为800℃，恒温时间为2h。
[0011]本专利技术获得的有益效果：
[0012]1、以富含多环芳烃的煤沥青为碳源，化工产品偏磷酸钾为活化剂和掺磷剂，焦硫酸钾为辅助活化剂和掺硫剂，原料廉价，采用原位活化碳化法制备得到锌离子混合电容器用磷硫掺杂多孔炭，实现了化工副产物煤沥青的高附加值利用；
[0013]2、采用无模板、无强碱活化剂的制备方法，避免了强碱活化剂使用过程中对设备的腐蚀，实现了后处理过程中无酸的工艺，减轻了对环境的污染；
[0014]3、所制备的磷硫掺杂多孔炭因杂原子(如磷、硫等)的引入，可有效改善其电子传导特性。当其作为锌离子混合电容器的正极材料时，在1mol/L Zn(ClO4)2水系电解液中，电流密度为0.1A/g时，其容量达217.5mAh/g；电流密度为20A/g时，其容量达147.1mAh/g；在1A/g电流密度下，经过10000次循环后容量仅衰减0.2％，显示了高的比容和好的倍率性能及其极好的循环寿命。
附图说明
[0015]图1为本专利技术实施例2制备的磷硫双掺杂多孔碳的吸脱附等温线；
[0016]图2为本专利技术实施例2制备的磷硫双掺杂多孔碳的透射电镜照片；
[0017]图3为本专利技术实施例1、2、3制备的磷硫双掺杂多孔碳正极材料在1mol/L Zn(ClO4)2电解液中，锌离子混合电容器的容量随电流密度的变化图；
[0018]图4为本专利技术实施例2制备的磷硫双掺杂多孔碳组装成的锌离子混合电容器的循环稳定性测试。
具体实施方式
[0019]下面通过对实施例的描述，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本专利技术的专利技术构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
[0020]实施例1
[0021]硫掺杂碳纳米片PSPC
700
的具体制备过程如下：
[0022]S1、反应物的预处理：将煤沥青粉碎，过500目筛，然后取1g煤沥青、2g偏磷酸钾和2g焦硫酸钾研磨，均匀混合，得到磷硫双掺杂多孔炭反应的前驱体；
[0023]S2、磷硫双掺杂多孔炭的制备：把步骤S1中得到的反应物放入磁舟中，然后将上述磁舟置于管式炉的中心，先通氩气排出管式炉中的空气，然后继续以15ml/min的速率至反应结束，以5℃/min的升温速率加热到700℃，恒温1h，冷却至室温后，产物经水洗、干燥、研磨、过筛后得到磷硫双掺杂多孔炭，所得硫掺杂碳纳米片命名为PSPC
700
。PSPC
700
的比表面积为725.1m2/g，总孔孔容为0.68cm3/g；XPS测试结果表明，磷含量为1.58％、硫含量为1.95％。
[0024]S3、锌离子混合电容器的制备：将磷硫双掺杂多孔炭与PTFE乳液按照1:9的质量比
进行混合，然后擀制薄片，切成直径为12mm的圆片，干燥、称重，得到电极片。随后以锌箔为负极，碳电极片为正极，1mol/LZn(ClO4)2溶液为电解液，玻璃纤维为隔膜，组装成锌离子混合电容器。PSPC
700
用作锌离子混合电容器正极材料时，在1mol/LZn(ClO4)2电解液中，电流密度为0.1A/g时，PSPC
700
的容量达143.8mAh/g；电流密度为20A/g时，PSPC
700
的容量达59.5mAh/g。
[0025]实施例2
[0026]硫掺杂碳纳米片PSPC
800
的具体制备过程如下：
[0027]S1、反应物的预处理：将煤沥青粉碎，过500目筛，然后取1g煤沥青、4g偏磷酸钾和2g焦硫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种锌离子混合电容器用磷硫双掺杂多孔炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、反应物的预处理：将煤沥青粉碎，过500目筛，然后与偏磷酸钾、焦硫酸钾按照一定的质量比称量、研磨，均匀混合，得到磷硫双掺杂多孔炭反应的前驱体；S2、磷硫双掺杂多孔炭的制备：把步骤S1中得到的反应物放入磁舟中，然后将上述磁舟置于管式炉的中心，先通氩气排出管式炉中的空气，然后继续以15ml/min的速率至反应结束，以5℃/min的升温速率加热到反应终温，恒温一段时间，冷却至室温后，产物经水洗、干燥、研磨、过筛后得到磷硫双掺杂多孔炭；S3、锌离子混合电容器的制备：将磷硫双掺杂多孔炭与PTFE...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏风，陈亚西，耿炜尧，王琪阳，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：