[发明专利]一种氮硫共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮硫共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：(1)配制NaOH/尿素/LA三元溶液，将三元溶液预冷，再在低温状态下加入纤维素粉末，并剧烈搅拌；(2)将混合物离心分离，得到纤维素沉淀，并进行冻干粉碎；(3)将冻干粉碎后的样品进行程序升温碳化；(4)将碳化后的样品与KOH和去离子水混合均匀，烘干后继续在氮气气氛下高温煅烧，然后用盐酸和去离子水洗涤至中性，干燥，即得到氮硫共掺杂碳气凝胶，该气凝胶用于制备超级电容器的电极材料。与现有技术相比，本发明具有采用纤维素作为原料、材料中孔道结构良好、氮和磷分布均匀、电化学性能良好等优点。

技术领域

本发明涉及超级电容器电极材料领域，具体涉及一种氮硫共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用。

背景技术

随着人类社会的发展，对能源的关注度越来越高，能源行业也逐渐成为越来越重要的产业。随着人口的增长和人类需求的提升，社会对于各类能源需求量将大幅增加，同时也带来了更多对能源存储和运输方面的需求。当下，降低电能在传输和存储中的损失，特别是开发出储电量高、体积质量小的储能器件具有重要意义。

超级电容器按照储能机理可以分为双电层超级电容器和法拉第电容器，两种类型的超级电容器又有各自鲜明的特点。而构成超级电容器的电极材料按结构可分为一维线状、二维片状以及三维骨架等多种类型。

超级电容器在储能系统中的应用受到广泛认可，其电化学性能弥补了传统电容器和电池之间的空白，在功率密度和能量密度方面跨越了几个数量级，因此适合应用于便携式或者远程设备中的电能，存储超级电容器的电化学性能主要取决于电极材料，而多孔碳材料由于其具有大的比表面积、优良的化学稳定性以及良好的导电性等特征，被广大研究者尝试应用于超级电容器领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的研究空白而提供一种采用纤维素作为原料、材料中孔道结构良好、氮和磷分布均匀、电化学性能良好的氮硫共掺杂碳气凝胶及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

发明人了解到，生物质炭材料大部分属于废物利用，具有原料来源广、成本低、污染小等优点，再加上多数材料本身或者后期修饰的多级孔道结构以及碳材料固有的稳定性，使得生物质炭在电化学材料的应用中有着独特的优势和前景。纤维素就是一种在自然界来源广泛存量丰富的生物质，特别是在超级电容器电极材料方面，低廉的成本，超大比表面积，以及简单的制备工艺使得纤维素基的生物质炭在超级电容器领域有一定的商用价值，具体方案如下：

一种氮硫共掺杂碳气凝胶的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)配制NaOH/尿素/LA三元溶液，将三元溶液预冷至-13℃，再在低温状态下加入纤维素粉末，并剧烈搅拌；

(2)将混合物离心分离，得到纤维素沉淀，并进行冻干粉碎；

(3)将冻干粉碎后的样品进行程序升温碳化；

(4)将碳化后的样品与KOH和去离子水混合均匀，烘干后继续在氮气气氛下高温煅烧，然后用盐酸和去离子水洗涤至中性，干燥，即得到氮硫共掺杂碳气凝胶。

进一步地，步骤(1)中纤维素、NaOH、尿素、LA和去离子水的质量比为4:7:12:(5-7):(70-72)。

进一步地，所述的离心分离的转速为8000-10000r/min，时间为1-10min，冻干前用液氮预冷处理。

进一步地，所述碳化的程序为先升温至400-500℃，维持2-4h，再以5-10℃/min的升温速率，升温至600-800℃，持续2-5h。

进一步地，碳化后的样品与KOH的质量比为1:(1-2)。

进一步地，所述煅烧的温度为600-800℃，时间为8-16h。