[发明专利]一种氮-磷共掺杂碳基材料的制备及其在超级电容器方面的应用

说明书

本发明公开了一种氮‑磷共掺杂碳基材料的制备方法及其在超级电容器方面的应用，包括如下步骤：(1)将氨基酸和植酸混合后冷冻干燥备用；(2)将步骤(1)经冷冻干燥后的混合物碳化后即得氮‑磷共掺杂碳基材料。本发明通过氢键作用力将植酸分子与氨基酸小分子组合在一起，不需要采用氢氧化钾活化、氯化锌活化等复杂的方法来进行扩孔处理，经过简单的高温焙烧，即得到比表面积大的氮磷共掺杂的碳基材料，制备过程简单，绿色环保。

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种氮-磷共掺杂碳基材料的制备及其在超级电容器方面的应用。

背景技术

活性碳材料是一种具有丰富空隙结构和较大比表面积的碳材料，其具有化学稳定性好、力学性能高且可方便再生的特性，已被广泛用于超级电容器、气体吸附等领域。功能化的活性炭材料除具有普通活性碳的性质之外，还具有其它更为专一和特殊的用途。元素掺杂是常见的功能化方式之一，用于碳材料掺杂的元素主要有氮、氧、硼、磷等元素。通过元素掺杂(提供法拉第电容)的方式能够显著的提高碳材料的比电容，因此能够很好地应用于超级电容器领域。氮、磷两种元素由于其具有相似的性质：相同的基团，相同的孤对电子等，从而引起了研究人员对氮磷共掺杂碳材料的广泛关注，并且制备了优异储能性能的氮磷共掺杂的碳基电极材料。例如T.Panja团队的氮磷共掺杂立方有序介孔碳作为超级电容电极材料就具有非常好的循环稳定性。(作者：T.Panja,，D.Bhattacharjya,JS.Yu期刊号：J.Mater.Chem.A3(2015)18001-18009)

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种氮-磷共掺杂碳基材料的制备方法，通过氢键作用力将植酸分子与氨基酸小分子组合在一起，不需要采用氢氧化钾活化、氯化锌活化等复杂的方法来进行扩孔处理，经过简单的高温焙烧，即得到比表面积大的氮磷共掺杂的碳基材料，制备过程简单，绿色环保。

本发明提供了一种氮-磷共掺杂碳基材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将氨基酸和植酸混合后冷冻干燥备用；

(2)将步骤(1)经冷冻干燥后的混合物碳化后即得氮-磷共掺杂碳基材料。

优选的，步骤(1)中，所述氨基酸选自组氨酸、赖氨酸和精氨酸中的至少一种，更优选为组氨酸。

优选的，步骤(1)中，所述氨基酸与植酸的质量比为0.5～4：1，更优选为1～2：1，最优选为2：1。

优选的，步骤(1)中，所述植酸质量分数为40％～70％。

优选的，步骤(2)中，所述碳化温度为700-900℃，更优选为800～900℃，最优选为800℃；碳化时间为2～4h。

优选的，步骤(2)中，所述碳化后产物依次采用5％～10％的稀盐酸、去离子水清洗至pH＝7，90～110℃真空干燥20～24h。

本发明还提供了上述制备方法制得的氮-磷共掺杂的碳基材料的应用，将其用作超级电容器电极材料。

本发明的优点和有益效果在于：

1、本发明采用液相反应，利用氢键作用力，将植酸分子与氨基酸小分子组合在一起，随后经过简单的高温焙烧，一步合成得到氮磷共掺杂的碳基材料，工艺简单。

2、本发明在制备过程中并不需要采用氢氧化钾活化、氯化锌活化等复杂方法来进行扩孔处理，避免了操作的繁琐和化学性腐蚀等问题的出现，经过简单的高温焙烧，即得到比表面积大的氮磷共掺杂的碳基材料，绿色环保。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的碳材料的SEM图；

图2为本发明实施例1制备的碳材料的TEM图；

图3为本发明实施例1制备的碳材料的XPS图；