CN112062125A - 一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途。所述方法包括以下步骤：(1)将活化剂与碳源混合，在保护性气体下进行活化，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，得到多级孔碳材料；(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下进行碳化氧化，得到所述掺杂多级孔碳材料。本发明提供的制备方法充分利用废弃的边角料，通过高温活化、掺杂碳化等一系列过程制备具有多级孔道结构的木材废弃物基掺杂多级孔碳材料，并可以用于超级电容器的电极材料和锂电池的隔膜改性。
Description
技术领域
本发明属于电化学功能材料制备技术领域，涉及一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途。
背景技术
多孔碳，是由不规则排布的微晶构成具有大量孔隙结构的无定形碳，通常稳定的物理化学性质，较高的比表面积，是最早开始于工业生产和应用的电容器电极材料。多级孔碳材料是同时含有微孔(小于2.0nm)、介孔(2.0～50nm)、大孔(大于50nm)的碳材料。碳基双层电容器性能的优劣，主要由电极材料和电解液来衡量。多级孔碳是组成电容器电极材料的重要选择。目前已有大量研究通过改善多级孔碳材料的质量进行改善其电容器的性能。文献资料报道【Simon P,Gogotsi Y.Materials for electrochemical capacitors[J].Nat.Mater.2008, 7,845-854.】：电极材料的离子可接触比表面积A与双电层电容器比电容成正比：
式中：εr为电解液介电常数，εo为真空介电常数，d为电解液离子和碳材料表面的距离。当然，多级孔碳材料的孔隙结构也直接影响了电解液离子在电极材料中传输速度，一般认为大孔储存电解液，介孔传输电解液离子，微孔形成双电层电容。同时，也有一些报道通过掺杂发型碳材料的元素组成，来提高超级电容器的性能，甚至有将过渡金属氧化物等对碳材料进行改性。另外多级孔碳材料也逐渐用于锂电池的隔膜改性以增强锂电池的循环、倍率等性能。
我国地大物博、物资丰富，对于木材的使用已有数千年的历史，在木材的使用过程中会伴随着边角料的产生，例如树皮、树枝、树叶、树根、木屑、废弃木材等，这些边角料通常会被粉碎用于制作压缩板，甚至被丢弃，这将严重造成资源浪费。
CN108069410A公开了一种一种天然木材多孔碳材料及其制备方法，它是将切割成片状的天然木材在空气中加热预处理后，再在强碱水溶液中浸泡并烘干，然后于保护气下高温热解制得的；所述强碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化钙和氢氧化钡中的一种。
CN108315028A公开了一种具有纵向孔结构的热解硬碳材料及其制备方法和应用，其制备方法包括：将一种或多种木材的木质部进行粉碎混合，得到粗粉；所述木材包括杨木、枣木、柳木、松木或梧桐木中的一种或多种；在300℃ -600℃的惰性气氛中保温1-5小时，对所述粗粉进行预碳化处理，得到预碳化材料；以0.5℃/min-10℃/min的升温速率升温至800℃-1600℃，在惰性气氛中对所述预碳化材料热处理1-10小时，使所述预碳化材料发生碳化、裂解反应；冷却后，得到所述具有纵向孔结构的热解硬碳材料。
CN108609605A公开了锂离子二次电池负极碳材料及其制备方法、锂离子二次电池负极材料和锂离子二次电池。其制备方法包括：S1、将密度ρ≥1.1g/ml 的树木木材进行炭化，保留树木木材的木质素，制得木炭；S2、将木炭粉碎成木炭粉，并干燥去除水份；S3、将干燥后的木炭粉进行前处理，去除挥发粉和杂质；S4、将前处理后的木炭粉进行表面改质处理，减少木炭粉表面的气孔； S5、将改质处理后的木炭粉进行真空热处理，即可。
但是上述方法在产品的比表面积、孔道结构以及电化学性能上均有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种掺杂多级孔碳材料及其制备方法和用途。本发明提供的制备方法充分利用废弃的边角料，通过高温活化、掺杂碳化等一系列过程制备具有多级孔道结构的木材废弃物基掺杂多级孔碳材料，并可以用于超级电容器的电极材料和锂电池的隔膜改性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种掺杂多级孔碳材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将活化剂与碳源混合，在保护性气体下进行活化，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；
(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，得到多级孔碳材料；
(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下进行碳化氧化，得到所述掺杂多级孔碳材料。
本发明提供的制备方法制得的木材废弃物基掺杂多级孔碳具有高比表面积，多级孔道结构、含有大量氮、硫、硼以及金属元素具有优异的电化学性能，可在超级电容器、锂电池等领域广泛使用。
本发明提供的制备方法简单易行、流程较短、操作易控，适于工业化推广使用。
本发明提供的制备方法中，步骤(1)的活化目的在于有效地提高多级孔碳的比表面积，并产生含微孔、介孔、大孔的多级孔道结构，步骤(2)的酸浸目的在于清洗多级孔碳材料在活化过程中产生的一些不溶于水的杂质，主要指金属氧化物；步骤(3)的碳化氧化目的在于引入掺杂的元素。在保护性气体下，掺杂元素的原料受高温分解成金属氧化物或者结合碳材料内部的氧原子，发生氧化。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述木材废弃物包括树皮、树枝、树叶、树根、木屑或废弃木材中的任意一种或至少两种。
优选地，所述碳源在与活化剂混合前，先进行粉碎。
优选地，步骤(1)所述活化剂包括碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾或磷酸中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(1)中，所述活化剂与碳源的质量比为0.1:1～10:1，例如0.1:1、0.2:1、0.5:1、0.7:1、1:1、2:1、3:1、4:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1或10:1等。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述保护性气体包括氮气和/或氩气。
优选地，步骤(1)所述活化的温度为600-900℃，例如600、650、700、750、 800、850或900等。
优选地，步骤(1)所述活化的时间为2-5h，例如2h、3h、4h或5h等。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述酸浸使用的酸包括盐酸。
优选地，步骤(2)所述酸浸使用的酸的浓度为0.1-2mol/L，例如0.1mol/L、0.5mol/L、1mol/L、1.5mol/L或2mol/L等。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述酸浸的时间为0.5-3h，例如0.5h、 1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。
优选地，步骤(2)还包括：酸浸后用水洗涤至中性。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)中，所述掺杂的掺杂元素为金属元素、氮元素、硼元素或硫元素中的任意一种或至少两种的组合。
本发明中，掺杂金属元素的引入，会在碳化活化过程中得到金属氧化物，这些金属氧化物可以一定程度地改善材料表面与电解液的浸润性。纯的金属氧化物的导电性较差，会限制电子的快速传输，将碳材料和它们进行复合，以碳材料作为骨架支撑，并且借助其导电优势制备复合电极材料，可以同时发挥这两类材料的优点，有效遏制存在的弊端，提高电容器整体性能。氮、硼、硫元素的掺杂的目的，在于改善电极材料和电解液之间的浸润性，可以有效吸附电解液中的多硫化物，减少其对多孔碳的穿梭(主要是在锂硫电池隔膜中的应用目的)。增加赝电容，提升电化学性能。
优选地，所述金属元素包括钴、铁、镍、金或铜中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述金属元素的原料包括金属元素的硝酸盐和/或金属元素的盐酸盐。这类金属盐易溶于水，可以用溶液吸附的方法进行掺杂。
优选地，所述氮元素的原料包括尿素和/或三聚氰胺。
优选地，所述硼元素的原料包括硼酸铵。该原料易溶于水，可以用溶液吸附的方法进行掺杂。
优选地，所述硫元素的原料包括硫单质。
优选地，步骤(3)所述掺杂的方法包括在溶液中进行吸附和/或固体研磨混合。
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，溶剂为水。
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，溶液中的掺杂元素原料的浓度为0.02-0.5mol/L。例如0.02mol/L、0.05mol/L、0.1mol/L、0.2mol/L、0.3mol/L、 0.4mol/L或0.5mol/L等。
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，吸附的时间为0.2-2h，例如0.2h、0.5h、1h、1.5h或2h等。
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，掺杂元素为金属元素和/或硼元素。
优选地，所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素的原料与步骤(2)所述多级孔碳材料的质量比为(0.1-5):10，例如0.1:10、0.5:10、1:10、2:10、3:10、4:10 或5:10等。
优选地，所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素为氮元素和/或硫元素。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述保护性气体包括氮气和/或氩气。
优选地，步骤(3)所述碳化氧化的温度为300-700℃，例如300℃、400℃、 500℃、600℃或700℃等。
优选地，步骤(3)所述碳化氧化的时间为2-5h，例如2h、3h、4h或5h等。
作为本发明所述制备方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将活化剂与粉碎后的碳源混合，在保护性气体下以600-900℃的温度进行活化，活化的时间为2-5h，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；
其中，所述木材废弃物包括树皮、树枝、树叶、树根、木屑或废弃木材中的任意一种或至少两种；所述活化剂与碳源的质量比为0.1:1～10:1；
(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，所述酸浸使用的酸的浓度为 0.1-2mol/L，所述酸浸的时间为0.5-3h，酸浸后用水冲洗至中性，得到多级孔碳材料；
(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下以300-700℃的温度进行碳化氧化2-5h，得到所述掺杂多级孔碳材料；
所述掺杂的掺杂元素为金属元素、氮元素、硼元素或硫元素中的任意一种或至少两种的组合；所述金属元素包括钴、铁、镍、金或铜中的任意一种或至少两种的组合；
所述掺杂的方法包括在溶液中进行吸附和/或固体研磨混合；所述在溶液中进行吸附的方法中，溶液中的掺杂元素原料的浓度为0.02-0.5mol/L，吸附的时间为0.2-2h；所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素的原料与步骤(2)所述多级孔碳材料的质量比为0.1-5:10。
上述进一步优选的技术方案中，首先将树皮、树枝、树叶、树根、木屑、废弃木材等粉碎，并在氮气保护下高温活化；接着用酸浸泡，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木材废弃物多级孔碳；之后将金属、硼等元素与木材废弃物多级孔碳混合，并在氮气保护下进行碳化氧化即可得到木材废弃物基掺杂多级孔碳；最后通过表征手段，可以揭示木材废弃物基掺杂多级孔碳的形貌以及孔道分布等参数，并通过循环伏安曲线评定多级孔碳材料的电化学性能。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述制备方法得到的掺杂多级孔碳材料。
第三方面，本发明提供一种如第二方面所述的掺杂多级孔碳材料的用途，所述掺杂多级孔碳材料用于超级电容器和/或锂电池领域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的制备方法中，所用碳源为为木材废弃物，包括树皮、树枝、树叶、树根、木屑、废弃木材等，来源丰富、废物利用。
(2)本发明提供的木材废弃物基掺杂多级孔碳具有高比表面积，多级孔道结构、含有大量氮、硫、硼以及金属元素等掺杂元素，具有优异的电化学性能，可在超级电容器、锂电池等领域广泛使用。
(3)本发明提供的制备方法简单易行、流程较短、操作易控，适于工业化推广使用。
附图说明
图1为实施例1中的木屑的扫描电镜图；
图2为实施例1中制备的木屑多级孔碳的扫描电镜图；
图3为实施例1中制备的木屑基氮掺杂多级孔碳扫描电镜图；
图4(a)为实施例1中所制备的木屑基多级孔碳的循环伏安曲线；
图4(b)为实施了1中所制备的木屑基氮掺杂多级孔碳的循环伏安曲线；
图5为对比例1提供的木屑基氮掺杂多级孔碳材料的循环伏安曲线；
图6为对比例4提供的多级孔碳材料的循环伏安曲线。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1
本实施例按照如下方法制备掺杂多级孔碳材料：
步骤1、将木屑粉碎，将碳酸钾与木屑碳源按照质量比为5:1进行充分混合，并在氮气保护下800℃活化3h；
步骤2、用1mol/L的盐酸浸泡1.5h，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木屑多级孔碳；
步骤3、将尿素和木屑多级孔碳按照质量比为2:10充分混合，并在氮气保护下进行500℃碳化氧化保持3h即可得到木材废弃物基氮掺杂多级孔碳。
采用JEOL JSM-7001F型(日本)扫描电镜进行测试。
图1为实施例1中制备的木屑的扫描电镜图，可以清洗地看出表面光滑，并且可以清晰地看出其纤维的条状结构；
图2为实施例1中制备的木屑多级孔碳的扫描电镜图，可以看出木屑的纤维条状结构并未完全被破坏，但是表面明显变得粗糙，这充分说明碳酸钾对木屑碳源进行了一定的活化。
图3为实施例1中制备的木屑基氮掺杂多级孔碳扫描电镜图，表面有大量的粗糙物质的出现，充分说明尿素在碳化过程中，与木屑基多级孔碳充分融合；
图4(a)为实施例1中所制备的木屑基多级孔碳的循环伏安曲线，图4(b) 为实施了1中所制备的木屑基氮掺杂多级孔碳的循环伏安曲线，两者进行比较，可以清晰地看出木屑基氮掺杂多级孔碳在充放电过程中有明显的氧化还原反应，并且在形同的具有更高的电势差。
实施例2
本实施例按照如下方法制备掺杂多级孔碳材料：
步骤1、将木屑粉碎，将碳酸钾与碳源按照质量比为5:1进行充分混合，并在氮气保护下800℃活化3h；
步骤2、用1mol/L的盐酸浸泡1.5h，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木屑多级孔碳；
步骤3、将尿素和木屑多级孔碳按照质量比为2:10充分混合，并在氮气保护下进行500℃碳化氧化保持3h即可得到木屑基氮掺杂多级孔碳。
实施例3
本实施例按照如下方法制备掺杂多级孔碳材料：
步骤1、将木屑粉碎，将碳酸钾与木屑碳源按照质量比为0.1:1进行充分混合，并在氮气保护下600℃活化5h；
步骤2、用1mol/L的盐酸浸泡1.5h，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木屑多级孔碳；
步骤3、将尿素和木屑多级孔碳按照质量比为5:10充分混合，并在氮气保护下进行300℃碳化氧化保持5h即可得到木屑基氮掺杂多级孔碳。
实施例4
本实施例按照如下方法制备掺杂多级孔碳材料：
步骤1、将木屑粉碎，将碳酸钾与木屑碳源按照质量比为10:1进行充分混合，并在氮气保护下900℃活化2h；
步骤2、用2mol/L的盐酸浸泡0.5h，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木屑多级孔碳；
步骤3、将尿素和木屑多级孔碳按照质量比为3:10充分混合，并在氮气保护下进行300℃碳化氧化保持5h即可得到木屑氮掺杂多级孔碳。
实施例5
本实施例按照如下方法制备掺杂多级孔碳材料：
步骤1、将木屑粉碎，将碳酸钾与木屑碳源按照质量比为5:1进行充分混合，并在氮气保护下800℃活化3h；
步骤2、用1mol/L的盐酸浸泡1.5h，并用水洗涤至中性得到具有高比表面积的木屑多级孔碳；
步骤3、将三聚氰胺与木屑多级孔碳按照质量比为2:10充分混合，并在氮气保护下进行300℃碳化氧化保持5h即可得到木屑氮掺杂多级孔碳。
实施例6
本实施例除了步骤(3)中用硫单质替换尿素之外，其他操作均与实施例1 的方法相同。本实施例制备得到制备硫掺杂氧化多级孔碳。
实施例7
本实施例除了步骤(3)的操作为：将木材废弃物多级孔碳在浓度为0.03mol/L 的硝酸钴水溶液中进行溶液吸附，吸附时间为0.2h，干燥后，在氮气保护下进行500℃碳化氧化保持3h之外，其他操作均与实施例1的方法相同。本实施例制备得到钴掺杂氧化多级孔碳。
实施例8
本实施例除了步骤(3)的操作为：将木材废弃物多级孔碳在浓度为0.5mol/L 的硼酸铵水溶液中进行溶液吸附，吸附时间为2h，干燥后，在氮气保护下进行 500℃碳化氧化保持3h之外，其他操作均与实施例1的方法相同。本实施例制备得到硼掺杂氧化多级孔碳。
实施例9
本实施例除了步骤(3)的操作为：将木材废弃物多级孔碳在浓度为0.1mol/L 的硝酸铁水溶液中进行溶液吸附，吸附时间为0.2h，干燥后，在氮气保护下进行500℃碳化氧化保持3h之外，其他操作均与实施例1的方法相同，本实施例制备得到铁掺杂氧化多级孔碳。
对比例1
本对比例除了步骤(1)不进行活化之外，其他操作均与实施例1相同。
图5为本对比例提供的木屑基氮掺杂多级孔碳材料的循环伏安曲线，从该图可以看出，未活化，仅进行碳化氧化的氮掺杂多级孔碳材料的比表面积较小，与活化并碳化氧化的氮掺杂多级孔碳材料循环伏安曲线面积相差较大，充分说比表面积越大其电化学性能越优。
对比例2
本对比例除了不进行步骤(2)的酸浸之外，其他操作均与实施例1相同。
对比例3
本对比例除了不进行步骤(3)的固相混合，而是直接用木屑多级孔碳按照实施例1的方法进行碳源氧化之外，其他操作均与实施例1相同。
对比例4
本对比例除了步骤(1)不进行活化，且不进行步骤(3)的固相混合，而是直接用木屑多级孔碳按照实施例1的方法进行碳源氧化之外，其他操作均与实施例1相同。
图6为本对比例提供的多级孔碳材料的循环伏安曲线，由该图可以看出产品比表面积较小，与活化的多级孔碳材料循环伏安曲线面积相差较大，充分说比表面积越大其电化学性能越优。
测试方法
比表面积表征BET：N2等温吸附-脱附测试采用Micromeritics ASAP 2460 型(美国)物理吸附仪对样品进行测定，测试在77K下进行，测试之前在200℃下真空脱气12h以出去微孔/介孔中的水分子。根据Brunauer-Emmett-Teller (BET)理论计算样品的比表面积，根据Density Functional Theory(DFT)理论计算样品的孔径分布，采用t-plot法计算微孔比表面积。
电化学性能(实施例1以及对比例1和对比例4)：实验测试在辰华CHI-760 D型(中国)电化学工作站进行，采用三电极体系进行测试：样品电极片为工作电极，Pt电极为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，电解液为6M KOH 溶液。扫描速率分别为50mV s-1。
测试结果如下表所示：
表1
综合上述实施例和对比例可知，实施例1-9提供的木材废弃物基掺杂多级孔碳具有高比表面积，多级孔道结构、含有大量氮、硫、硼以及金属元素等掺杂元素，具有优异的电化学性能，可在超级电容器、锂电池等领域广泛使用。
对比例1因为未进行活化，导致多级孔碳材料的比表面积很小，从而导致在电容器、锂电池性能差。
对比例2因为未进行酸浸，导致多级孔碳材料在活化过程中剩余的碳酸钠会在应用过程中对电容器、锂电池内部材料进行碱腐蚀，影响其性能。
对比例3因为未进行掺杂，虽然在比表面积上受到的影响不是特别巨大，但是未掺杂的多级孔碳材料由于元素单一，导致其电化学性能差，从而影响其在电容器、锂电池的应用性能。
对比例4既没有进行活化也没有进行掺杂，导致多级孔碳材料的比表面积很小，并且电化学性能差，从而影响其在电容器、锂电池的应用性能。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种掺杂多级孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将活化剂与碳源混合，在保护性气体下进行活化，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；
(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，得到多级孔碳材料；
(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下进行碳化氧化，得到所述掺杂多级孔碳材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述木材废弃物包括树皮、树枝、树叶、树根、木屑或废弃木材中的任意一种或至少两种；
优选地，所述碳源在与活化剂混合前，先进行粉碎；
优选地，步骤(1)所述活化剂包括碳酸钾、氢氧化钠、氢氧化钾或磷酸中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，步骤(1)中，所述活化剂与碳源的质量比为0.1:1～10:1。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述保护性气体包括氮气和/或氩气；
优选地，步骤(1)所述活化的温度为600-900℃；
优选地，步骤(1)所述活化的时间为2-5h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述酸浸使用的酸包括盐酸；
优选地，步骤(2)所述酸浸使用的酸的浓度为0.1-2mol/L。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述酸浸的时间为0.5-3h；
优选地，步骤(2)还包括：酸浸后用水洗涤至中性。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述掺杂的掺杂元素为金属元素、氮元素、硼元素或硫元素中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属元素包括钴、铁、镍、金或铜中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述金属元素的原料包括金属元素的硝酸盐和/或金属元素的盐酸盐；
优选地，所述氮元素的原料包括尿素和/或三聚氰胺；
优选地，所述硼元素的原料包括硼酸铵；
优选地，所述硫元素的原料包括硫单质；
优选地，步骤(3)所述掺杂的方法包括在溶液中进行吸附和/或固体研磨混合；
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，溶剂为水；
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，溶液中的掺杂元素原料的浓度为0.02-0.5mol/L；
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，吸附的时间为0.2-2h；
优选地，所述在溶液中进行吸附的方法中，掺杂元素为金属元素和/或硼元素；
优选地，所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素的原料与步骤(2)所述多级孔碳材料的质量比为(0.1-5):10；
优选地，所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素为氮元素和/或硫元素。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述保护性气体包括氮气和/或氩气；
优选地，步骤(3)所述碳化氧化的温度为300-700℃；
优选地，步骤(3)所述碳化氧化的时间为2-5h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将活化剂与粉碎后的碳源混合，在保护性气体下以600-900℃的温度进行活化，活化的时间为2-5h，得到活化材料；所述碳源为木材废弃物；
其中，所述木材废弃物包括树皮、树枝、树叶、树根、木屑或废弃木材中的任意一种或至少两种；所述活化剂与碳源的质量比为0.1:1～10:1；
(2)对步骤(1)所述活化材料进行酸浸，所述酸浸使用的酸的浓度为0.1-2mol/L，所述酸浸的时间为0.5-3h，酸浸后用水冲洗至中性，得到多级孔碳材料；
(3)对步骤(2)所述多级孔碳材料进行掺杂，在保护性气体下以300-700℃的温度进行碳化氧化2-5h，得到所述掺杂多级孔碳材料；
所述掺杂的掺杂元素为金属元素、氮元素、硼元素或硫元素中的任意一种或至少两种的组合；所述金属元素包括钴、铁、镍、金或铜中的任意一种或至少两种的组合；
所述掺杂的方法包括在溶液中进行吸附和/或固体研磨混合；所述在溶液中进行吸附的方法中，溶液中的掺杂元素原料的浓度为0.02-0.5mol/L，吸附的时间为0.2-2h；所述固体研磨混合的方法中，掺杂元素的原料与步骤(2)所述多级孔碳材料的质量比为(0.1-5):10。
9.一种如权利要求1-8任一项所述的制备方法得到的掺杂多级孔碳材料。
10.如权利要求9所述的掺杂多级孔碳材料的用途，其特征在于，所述掺杂多级孔碳材料用于超级电容器和/或锂电池领域。
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