CN109473291A - 一种基于棉花的超高比电容的n,p共掺杂多孔中空炭纤维的制备新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于棉花的超高比电容的N，P共掺杂多孔中空炭纤维的制备新方法。包括以下步骤：首先将棉花进行洗涤、干燥预处理；之后不同比例的磷酸二氢铵作为氮磷源，碳化N，P共掺杂中空炭纤维；然后再利用KOH作为活化剂，经高温炭化，洗涤、干燥即可得到N，P共掺杂多孔中空炭纤维，比电容高达500F/g左右，因而在超级电容器和储能领域具有良好的应用前景。

Description

一种基于棉花的超高比电容的N，P共掺杂多孔中空炭纤维的 制备新方法
本发明涉及一种基于棉花的超高比电容的N，P共掺杂多孔炭纤维的制备新方法，具体涉及两步活化法制备含氮磷多孔炭的的方法
背景技术
超级电容器是一种新型的储能设备，具有功率密度高、能量密度高、循环寿命长、环保无污染等优点，在电化学储能领域拥有广阔的应用前景以及商业价值。超级电容器用电极材料主要包括炭材料、金属氧化物、导电聚合物。其中炭材料因其超高的比表面积、发达的孔隙、良好的导电性、优异的物理化学稳定性等优点而引起了人们更多的研究兴趣。炭材料结构的设计与调控是提高其电化学性能的关键。活性多孔炭因具有良好的导电性，优良的物理化学稳定性，以及相对低廉的价格等优点而成为超级电容器电极材料中的佼佼者。
使用合适的富碳前驱体制备多孔碳电极可以有效改善其能量密度及孔径尺寸等重要性质。棉花是一种产量高，生产成本低廉的常见农作物，利用棉花碳化制作的电极材料具有超高的比表面积、优异的循环稳定性以及优异的倍率特性和染料吸附性能，在能源与环境两个领域都拥有较好的应用前景，同时利用棉花制作多孔碳电极材料也为新型功能性碳材料的设计提供了一种新的设计思路。专利CN106629724A一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极材料的应用，本发明公开了一种氮掺杂多孔炭、制备方法及其作为超级电容器电极的应用，属于能源材料及应用技术领域。本发明以天然废弃产物花生壳为原料，经球磨、筛分、高温活化和洗涤后制得氮掺杂多孔炭。该法制得的氮掺杂多孔炭的质量比电容为290～310F/g，制得的氮掺杂多孔炭基超级电容器的质量能量密度为40～43wh/kg，且具有优异的循环稳定性，因此可以较好的应用于超级电容器电极领域。CN104064369A一种天然果壳碳材料的制备及其电化学电容器应用本发明公开了一种天然果壳碳材料的制备及其电化学电容器应用，天然果壳碳材料的制备是将天然果壳经高温碳化-碱活化后得到多孔纳米果壳碳材料。在碱性水溶液电解质中，2mV/s和500mV/s电势扫描速率下，双电层比电容量分别达到312F/g-1和224F/g-1。由于原料使用的是天然生物材料开心果壳，来源广泛，价格便宜，而且这种电极材料制备工艺简单可控，条件温和，设备简易，具有实用化生产的价值。专利CN101177266一种超级电容器用活性炭电极材料的制备方法本发明涉及一种超级电容器用活性炭电极材料的制备方法。具体步骤如下：将硬质果壳原料经过破碎，筛选，控制粒度为1-3.5mm，然后在110-120℃温度下干燥24小时以上；然后将经筛选的原料置于ZnCl2溶液中，充分搅拌，然后在110-120℃温度下烘干，ZnCl2与硬质果壳原料的质量比为0.2∶1～3∶1；将烘干后的混合物进行活化，在氮气气氛下，以10-20℃/min升温速率从室温升温至700-900℃，并在该温度下，在CO2气氛下，恒温活化时间为0.5-3小时，然后在氮气气氛下降温至室温；洗涤，烘干，即得到所需产品。本发明制备的中等比表面积活性炭(1200m2/g左右)作为超级电容器电极材料，有非常好的电化学性能。专利CN103824702A氮/磷共掺杂的虾壳基多孔炭电极材料的制备方法本发明公开一种制备工艺简单、成本低、电化学性能优良的氮/磷共掺杂的虾壳基多孔炭电极材料的制备方法，按如下步骤进行：用蒸馏水将虾壳洗净并烘干后浸泡在60℃、质量分数为10％的盐酸溶液中3h，过滤，并用蒸馏水清洗虾壳至洗涤液呈中性，在80℃下烘干；取上述虾壳和质量分数为85％的磷酸溶液按质量比1∶0.5～2的比例混合置于反应釜中，在120℃下反应12h，将所得混合物在80℃下烘干；将上述混合物放入管式炉中，在惰性气氛中升温到400～900℃，升温速率为5℃/min，恒温碳化1h，最后将产物用蒸馏水离心洗涤至洗涤液呈中性，烘干得到氮/磷共掺杂的多孔炭。
以上专利中，大部分专利利用各类生物质作为碳源制备多孔炭，磷掺杂主要利用磷酸作为磷源，未见利用棉花作为碳源，磷酸二氢铵作为N，P源制备氮磷共掺杂的多孔中空炭纤维在超级电容器中应用的专利。
发明内容
为实现本发明所提供的技术方案是：
(1)准确称量一定质量的棉花，磷酸二氢铵和棉花的质量比为3∶1～1∶3，充分溶解在50mL去离子水中，室温静置24h，然后120℃下烘干，之后转移到管式炉中，氮气保护，升温速度为5℃/min，恒温90min，待样品冷却至室温，以2mol/L盐酸充分浸泡24h后，反复用去离子水洗至中性，烘干即得N，P共掺杂的中空碳纤维；
(2)准确称取一定质量的步骤(1)产物，将它们分别与2mol/L的造孔剂KOH以1∶4～1∶7的质量比进行混合浸泡，静置24h，烘干之后转移到管式炉中，惰性气体保护下，升温速度为5℃/min，800℃碳化90min，待样品冷却至室温后继续以2mol/L的盐酸充分浸泡24h，洗至中性烘干，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维。
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
(1)准确称量一定质量的棉花，磷酸二氢铵的质量和棉花质量比为1∶2，充分溶解在50mL去离子水中，室温静置24h，然后120℃下烘干，之后转移到管式炉中，氮气保护，升温速度为5℃/min，恒温90min，待样品冷却至室温，以2mol/L盐酸充分浸泡24h后，反复用去离子水洗至中性，烘干即得N，P共掺杂的中空碳纤维；
(2)准确称取一定质量的N，P共掺杂的中空碳纤维，将它与2M的造孔剂KOH以1∶5的质量比进行混合浸泡，静置24h，烘干之后转移到管式炉中，惰性气体保护下，升温速度为5℃/min，800℃碳化90min，待样品冷却至室温后继续以2mol/L的盐酸充分浸泡24h，洗至中性烘干，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维，在电流密度为1Ag-1时，比电容高达511Fg-1。
实施例2：改变磷酸二氢铵和棉花的质量比为1∶1，其他步骤同实施例1，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维，在电流密度为1Ag-1时，比电容高达312Fg-1。
实施例3：改变磷酸二氢铵和棉花的质量比为1∶3，其他步骤同实施例1，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维，在电流密度为1Ag-1时，比电容高达307.3Fg-1。
实施例4：改变N，P共掺杂中空碳纤维和造孔剂KOH的质量比为1∶6，其他步骤同实施例1，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维，在电流密度为1Ag-1时，比电容高达382Fg-1。

Claims (1)

1.一种基于棉花的超高比电容的N，P共掺杂多孔中空炭纤维的制备新方法，具体步骤如下：
(1)准确称量一定质量的棉花，磷酸二氢铵和棉花的质量比为3∶1～1∶3，充分溶解在50mL去离子水中，室温静置24h，然后120℃下烘干，之后转移到管式炉中，N2保护，升温速度为5℃/min，恒温90min，待样品冷却至室温，以2mol/L盐酸充分浸泡24h后，反复用去离子水洗至中性，烘干即得N，P共掺杂的中空碳纤维；
(2)准确称取一定质量的步骤(1)产物，将它们分别与2mol/L的造孔剂KOH以1∶4～1∶7的质量比进行混合浸泡，静置24h，烘干之后转移到管式炉中，惰性气体保护下，升温速度为5℃/min，800℃碳化90min，待样品冷却至室温后继续以2mol/L的盐酸充分浸泡24h，洗至中性烘干，即得N，P共掺杂的多孔中空碳纤维。
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