[发明专利]一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明属于超级电容器电极材料的制备与应用领域，特别涉及一种氮硫双掺杂介孔碳超级电容器电极材料、制备方法及应用。

背景技术

超级电容器具有能量密度高、循环寿命长、充放电速率快等特点，已广泛应用于许多领域如：便携式电子设备、记忆备份系统、不间断电源等领域。不仅如此，在混合动力汽车的加速与刹车能力转换等方面与燃料电池协作具有巨大的潜力。根据储能原理的不同，超级电容器可分为双电层电容器和赝电容器。双电层电容器的电极材料主要是各种高比表面积碳材料，赝电容器的电极材料主要为金属氧化物和导电聚合物。其中碳材料具有高比表面积，低成本，循环寿命长等优点而受到广泛关注。但是其混杂的孔结构致使电解质离子得不到有效地利用而限制了孔壁中离子的空间，从而限制了其比电容和电化学充放电性能。

通常认为，高比表面积、适宜的孔尺寸和结构有利于溶剂离子的传输，进而提高催化剂的催化活性，实现较高的比电容。本发明方法利用模板法得到可控结构、特定形貌的碳材料。进一步通过模板法合成的介孔碳材料进行氮硫双掺杂，在极大提高掺杂碳的比表面积的同时，提高活性位密度以及晶格缺陷，从而不仅可以改善水在介孔碳中的分散性，而且能够改变介孔碳局部电流密度，提高介孔碳的电子传递性，降低电阻系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种超级电容器材料氮硫双掺杂介孔碳的制备方法，通过该方法能得到的氮硫双掺杂介孔碳电极材料为多级孔结构而且具有很高的比表面积，以提高比电容以及循环稳定性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料，其特征在于，所述电极材料的前驱体包括以前驱体总质量为基础的以质量百分比计的20～85％的模板剂、10～75％的含氮化合物和5～50％的过渡金属盐。

优选地，所述模板剂为直径为15-30nm的纳米二氧化硅或直径为15-30nm的碳酸钙。

优选地，所述过渡金属盐为硫酸亚铁、硫酸铁和硝酸铁中的任意一种或几种。

优选地，所述含氮化合物为聚乙烯亚胺，其重均分子量为1300-25000。

本发明还提供了一种上述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将模板剂、含氮化合物和过渡金属盐溶于溶剂中，超声6～8h，干燥，得到前驱体；

步骤2)：将步骤1)制得的前驱体在惰性气体气氛保护下升温至600～1000℃焙烧还原处理1～3h，得到一次碳化材料；

步骤3)：将步骤2)制得的一次碳化材料用酸液于室温下酸洗处理12～24h，然后离心、去离子水清洗后干燥，得到含氮介孔碳材料；

步骤4)：将步骤3)制得的含氮介孔碳材料用酸液于80℃下再次酸洗处理6～8h，然后离心、去离子清洗后干燥，并再次在惰性气体气氛保护下升温至600～1000℃焙烧还原处理1～3h，得到氮硫双掺杂介孔碳电极材料。

优选地，所述步骤1)中的溶剂为水、甲醇或乙醇。

优选地，所述步骤1)、步骤4)中的惰性气体为氮气或氩气。

优选地，所述步骤3)、步骤4)中的酸液为硫酸、盐酸和氢氟酸中的任意一种或两种以上的混合溶液。

本发明还提供了一种氮硫双掺杂介孔碳电极材料在超级电容器中的应用，其特征在于，采用上述氮硫双掺杂介孔碳电极材料的制备方法中的步骤1)至步骤4)制得氮硫双掺杂介孔碳电极材料，然后进行以下步骤：

步骤5)：将氮硫双掺杂介孔碳电极材料与乙炔黑、粘结剂、分散剂按比例混合，经过超声后，得到混合溶液；将混合溶液转移到玻碳(GC)电极上，自然晾干；

步骤6)：使用电化学工作站，在不同浓度的电解质溶液中进行三电极体系测试，以步骤5)制得的玻碳电极为工作电极，铂电极为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，在氮气氛围下进行不同扫速的循环伏安测试。

优选地，所述步骤5)中粘结剂为Nafion溶液、PVA或PTFE。

优选地，所述步骤5)中分散剂为乙醇、水或异丙醇。

优选地，所述步骤5)中氮硫双掺杂介孔碳材料与乙炔黑、粘结剂的重量比为80％∶10％∶10％、85％∶5％∶10％、85％∶10％∶5％或90％∶5％∶5％。

优选地，所述步骤6)中不同浓度的电解质溶液采用1M KOH、3M KOH、6M KOH、0.5M H₂SO₄和1M H₂SO₄。