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

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

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；

2、直接以廉价的磷酸二氢铵同时作为N/P前驱体和活化剂，避免了昂贵纳米金属氧化物模板的使用，降低了制备成本，减少了后处理过程中强酸的使用，缓解了对环境的污染。此外，无强碱活化剂的使用，减少了对设备的腐蚀；

3、所制备的氮磷双掺杂泡沫状碳材料具有高的比表面积，达690.3m

4、所制备的氮磷双掺杂泡沫状碳，作为锌离子混合电容器的正极材料时，在1mol/L Zn(CF

附图说明

图1为本发明实施例1、2、3制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的氮吸脱附等温线。

图2为本发明实施例2制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的场发射扫描电镜照片。

图3为本发明实施例2制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的N1s图。

图4为本发明实施例2制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的P2p图。

图5为本发明实施例2制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的结构示意图。

图6为本发明实施例1、2、3制备的氮磷双掺杂泡沫状碳电极材料在1mol/L Zn(CF

具体实施方式

下面通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，以帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

实施例1：氮磷双掺杂泡沫状碳NPFC

(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℃密闭加热碳化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600℃保持60min，反应结束后自然降至室温，将得到的产物取出、研磨,经蒸馏水洗涤后置于干燥箱内于110℃恒温干燥24h，随后研磨过325目筛，得到氮磷双掺杂泡沫状碳。所得氮磷双掺杂泡沫状碳记为NPFC

实施例2：氮磷双掺杂泡沫状碳NPFC

(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施，不同之处在于，活化的温度为700℃；

(2)氮磷双掺杂泡沫状碳的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得氮磷双掺杂泡沫状碳记为NPFC

实施例3：氮磷双掺杂泡沫状碳NPFC

(1)反应物的预处理：按照与实施例1中的步骤(1)同样的方法实施。不同之处在于，碳化的温度为800℃；

(2)氮磷双掺杂泡沫状碳的制备：按照与实施例1中的步骤(2)同样的方法实施。所得氮磷双掺杂泡沫状碳记为NPFC

将实施例1～3中制备的氮磷双掺杂泡沫状碳作为测试样品，分别测定孔结构参数及元素组成和含量。结果如表1和表2所示：

表1氮磷双掺杂泡沫状碳的孔结构参数

由表1和图2结果可知，本发明所制备的氮磷双掺杂泡沫状碳的比表面积介于630.5～690.3m

表2氮磷双掺杂泡沫状碳的元素组成和含量

表2结合图1可知，本发明以生物质桂花为碳源，磷酸二氢氨为N/P前驱体和活化剂，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，制备过程简单，在一步法制备过程中，以磷酸二氢氨为N/P的前驱体和活化剂可以完成在泡沫状碳基质中进行氮和磷的同时掺杂。

由图3～5可知，本发明的泡沫碳基质中氮磷双元素的结合强度高，双掺杂稳定，有利于其在电极材料制备中的应用。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内；本发明未涉及的技术均可通过现有技术加以实现。