[发明专利]一种氮硫掺杂的多级孔炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮硫掺杂的多级孔炭材料及其制备方法和应用。本发明以霉菌菌丝球作为活性炭的碳源前驱体，利用硫脲同时作为氮源和硫源进行杂原子掺杂，以戊二醛作为交联剂，使菌丝之间缠绕交联形成三维(3D)的交联结构，再利用氯化锌活化形成微孔，通过碳化和酸洗后获得多级孔的泡沫炭材料。本发明的炭材料以生物质霉菌作为前驱体，交联缠绕形成三维互通的多级孔炭材料，通过同时具有氮硫元素的硫脲作为氮硫共掺杂材料对炭材料进行非金属杂原子的掺杂，氮含量可达4.58％，硫含量可达3.26％，应用于电容型脱盐法，进行海水淡化处理，电极比电容可达166.6F g^‑1，脱盐容量可达16.39mg g^‑1。

技术领域

本发明涉及炭电极材料技术领域，更具体地，涉及一种氮硫掺杂的多级孔炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，随着人口的增长和工业的发展，水资源污染程度加深，淡水资源短缺已经成为当今时代里最严峻的全球挑战性问题之一，其中，可提供稳定淡水资源的海水淡化技术获得了越来越多的关注。但是，传统的海水淡化技术，如多级闪蒸法、反渗透法、电渗析法等，耗能较大，维护成本高，且容易导致二次污染。因此，需要开发一种高效率，低成本，节能环保的新型脱盐技术。

电容脱盐技术是一种基于双电层超级电容器原理的新型脱盐技术，通过在电极加上一定电压后，高电导率和高比表面积的电极将会形成一个强大的双电层，将离子吸引集中到双电层中，阴离子被吸附到正电极上，阳离子被吸附到负电极上，从而使盐离子从水中分离，使海水得到了淡化。电容脱盐技术脱盐效率高，设备简单容易维护，成本较低，节能环保，在海水及卤盐水淡化的领域中具有良好的应用前景，是近期研究的热点。

炭电极材料是电容脱盐技术的关键材料之一，良好的电容脱盐材料应具有较大的比表面积、较好的电导性，较合理的通道和孔隙结构。生物质经过高温热裂解后产生的生物炭，是一种生产成本低、原材料来源广泛，对环境友好的活性炭碳源前驱体。现有技术CN109593523A公开了一种真菌菌丝氮硫自掺杂碳点的制备方法和应用，公开技术主要针对的是现有炭量子点(CDs)掺杂，直接将真菌菌丝炭成N,S-CDs，提升的是其水溶性、生物相容性、稳定性和荧光发射性能，对于氮硫掺杂炭材料作为炭电极材料的电导性、电化学性能及电容型脱盐性能并未有相关的改善，未能解决电容脱盐效果的提升的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有炭电极材料的导电性、电化学性能及电容型脱盐性能的缺陷和不足，提供一种氮硫掺杂的多级孔炭材料的制备方法，以霉菌菌丝球作为活性炭的碳源前驱体，利用硫脲同时作为氮源和硫源进行杂原子掺杂，以戊二醛作为交联剂，使菌丝之间缠绕交联形成三维(3D)的交联结构，再利用氯化锌活化形成微孔，通过碳化和酸洗后获得多级孔的泡沫炭材料，可以增强炭材料的电导性，并提高其电化学性能及电容型脱盐性能。

本发明的目的是提供一种上述方法制备得到的氮硫掺杂的多级孔炭材料。

本发明的又一目的在于提供一种电容脱盐电极。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种氮硫掺杂的多级孔炭材料的制备方法，包括如下步骤：

S1.将霉菌菌丝球前驱体与硫脲加水混合均匀，得到混合溶液，其中霉菌菌丝球前驱体与硫脲的质量比为1:1～1:6；

S2.在S1的混合溶液中加入氯化锌，搅拌6～24h，其中霉菌菌丝球前驱体与氯化锌的质量比为1:1～1:6；

S3.向S2的搅拌产物中加入含醛基的交联剂，在30～50℃下搅拌反应0.5～6h；

S4.将S3中的反应产物冷冻干燥，惰性气体中碳化处理，并将碳化产品加入酸浸泡，溶出含锌化合物，充分洗涤干燥后，得到掺杂氮硫的多级孔炭材料。

本发明为了使得霉菌菌丝球前驱体与硫脲溶液搅拌混合均匀，可以搅拌混合6～24h。