[发明专利]一种锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳的制备方法

说明书

本发明公开了一种锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳的制备方法，属于炭材料制备技术领域。该方法以桂花为碳源，磷酸二氢铵为N/P前驱体和活化剂；先将桂花溶解在磷酸二氢铵溶液中，随后加热冷冻干燥，然后将混合物转移至刚玉舟中，放置于水平管式炉内，并在氩气气氛下，加热制得氮磷共掺杂泡米状碳。所得氮磷双掺杂泡沫状碳的比表面积高，泡沫孔结构均匀。本发明以桂花为碳源，磷酸二氢铵为N/P前驱体和活化剂，直接制备锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳，具有工艺简单、制备中不使用酸碱，作为锌离子混合电容器正极材料时显示了超高的容量和优异的倍率性能。

技术领域

本发明属于炭材料制备技术领域，具体涉及一种锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳的制备方法。

背景技术

超级电容器(SC)具有宽的工作温度范围、优异的环境相容性和高安全性能等优点，但是低的能量密度限制了SC的应用。此外，作为能量转换与存储装置之一的锂离子电池(LIB)具有高的能量密度，随着越来越多的实际应用，安全问题频繁出现。研究者们提出，是否可以将SC与LIB的优点相结合制备具有高能量密度、高功率密度、优异安全性能的混合电容器(HC)。锌离子混合电容器(ZHC)作为HC的代表之一，与碱金属相比(如Li、Na、K)，锌电极具有低的氧化还原电压(-0.76V)、高的理论比电容(823mAh g^-1)、廉价、高的安全性和多价态等特征。近来，已经报道了以Zn箔为负极、多孔碳材料为正极、ZnSO₄或Zn(CH₃SO₃)₂溶液为电解液的ZHC，如：以椰壳基活性炭为正极构建ZHC，展现了高的比容(170F g^-1)和能量密度(52.7Wh kg^-1)；通过插层导向热解法制备了B/N共掺杂层状碳阴极材料，在ZnSO₄电解液中获得了高的能量密度(97.6Wh kg^-1)。

利用生物质制备多孔炭，不仅可以减少对环境的污染，而且可以实现其高附加值利用。此外，生物质具有天然的孔道结构，将生物质制备成多孔炭，可以为离子的输运和吸附提供孔道和活性位点，同时交叉的相互连接的网络结构可以为电子的传输提供高速通道。生物质包括很多种，如：木材、棉花、玉米秸秆、稻壳、小麦秸秆、桂花等，而大部分生物质多孔炭的制备过程中使用大量的强酸强碱，如何采用简单、无酸无碱的工艺去制备多孔炭显得尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：提供了一种以桂花为碳源，廉价的磷酸二氢氨为N/P前驱体和活化剂，直接制备锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳的方法。

为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：

一种锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳的制备方法，具体步骤如下：

(1)反应物的预处理：称取磷酸二氢铵固体溶于去离子水中，缓慢加入粉末状的桂花，60℃密闭加热12h，冷冻干燥后，得到反应物；

(2)氮磷双掺杂泡沫状碳的制备：把步骤(1)得到的反应物放入刚玉舟中，然后将上述刚玉舟置于管式炉内，通入氩气排净管式炉内的空气后，继续以氩气为保护气，以2℃/min的升温速率加热至180℃，恒温60min；接着以5℃/min的升温速率加热到700℃，恒温1h，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨，经蒸馏水洗涤、干燥后得到氮磷双掺杂泡沫状碳。

优选地，所述磷酸二氢铵的质量占磷酸二氢铵和桂花两者混合物总质量的1/2，磷酸二氢铵与桂花的质量比为1。

优选地，在步骤(1)中，所述桂花的质量为3g，磷酸二氢氨的质量为3g。

本发明获得的有益效果：

1、以桂花为碳源，原料廉价易得，采用一步碳化、活化法直接制备得到锌离子混合电容器用氮磷双掺杂泡沫状碳，工艺简单，实现了生物质桂花的高附加值利用；