一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法及其应用技术

本发明专利技术涉及一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法及其应用。其制备方法如下：以2‑氨基噻唑和磷酸二氢钠为原料，ZnCl2为溶剂和催化剂，放在管式炉中高温碳化一步法得到高S含量的P,S,N共掺杂的介孔碳材料SNPPC，其中SNPPC‑800比表面积高达1122.46m2/g，孔径在20‑50nm之间，含硫量高达12.58%，SNPPC‑800相比于低S的SNPC展示了优异的锂电性能、氧还原性能和超级电容器性能。此外，这种方法操作简单、收率较高，具有较为广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无机纳米材料及电化学
，具体涉及一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法及其应用。
技术介绍
近些年来，由于多孔碳材料在催化、储能、气体分离等方面广泛的潜在应用引起了大家的兴趣。主要归因于他们具有无可比拟的特性诸如高的比表面积、化学稳定性、可调的孔结构和杂原子修饰。然而，原始多孔碳由于缺少锚定在表面的活性中心展示了较弱的电化学活性。由于比表面积立体和电子的可调性，对于碳框架或者表面各种各样的修饰可以增强吸附、扩散和活化。因此，掺杂原子到碳框架，将会改变表明的能量和活性，成为增强化学活性的柔性策略。自从Jasinski第一次报道了N掺杂的碳材料，大家已经开始关注掺杂碳的设计和合成。N原子的掺杂，由于奇电子构型和电负性特点，有效的提高了电子分布和电荷旋转密度，引入催化活性位点到邻近的碳上。除了N原子，S原子也被认为是一个有效的方法改变多孔碳性能无论空间上和电子活性，由于S外层双电子对和相比于C、N较大的原子半径。由于各自的化学性质和匹配的电子结构，S, N共掺杂的多孔碳材料已经引起了巨大的关注，大部分在燃料电池、锂电池和电容器中展现了优异的性能。现在，S,N掺杂的多孔碳材料的合成主要包括碳化含有S,N的前驱体，诸如生物质分子和离子液体等。主要问题是合成的S，N掺杂的多孔碳材料中由于S的气化和后处理造成S含量较低。这会削弱S原子对多孔碳的电子结构和几何结构的影响，因此会降低N,S的协同作用效果，因此，限制S原子在框架中对于提高S原子含量是及其重要的。先前的研究主要是SNPC的构效关系而不是简单的合成方法。直到现在，提高S含量方法还鲜有报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法及其应用，它通过高温碳化引入NaH2PO4的S，N前驱体，获得的S, N, P共掺杂的多孔碳材料具有较大的比表面积和高的含S量的SNPC，相比于低S的SNPC展示了优异的锂电性能、氧还原性能和超级电容器性能，而这些差异可以归因于由于高的S含量提高了S,N的协同作用。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于以2-氨基噻唑和磷酸二氢钠为原料，ZnCl2为催化剂和溶剂，氮气气氛下，将上述原料放入管式炉中一步法合成高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于具体步骤如下：1）以2-氨基噻唑为N源和S源，磷酸二氢钠为P源，手工混合均匀，并且与氯化锌形成三明治结构，再放入石英舟中；2）将步骤1）得到的石英舟放入管式炉中，在N2气氛下以5℃/min升温至800℃，每个温度段保持2h，一步法得到高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料；3）取出步骤2）反应后的石英舟，将石英舟里的产物用35%的盐酸洗涤，除去氯化锌，再用去离子水和乙醇洗涤除去盐酸，然后将产品在真空干燥箱干燥，干燥后得到SNPPC-800。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于步骤2）中N2流速为28-35 ml/min，优选为30ml/min。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于步骤3）中真空干燥箱温度为75-85℃，干燥时间为2.5-3.5h。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于步骤3）中真空干燥箱温度为80℃，干燥时间为3h。所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于SNPPC-800产品中，其S含量高达12.58%，比表面积达到1122.46m2/g。所述的高S含量的S,N,P共掺杂的介孔碳材料作为锂电池负极催化剂的应用。所述的高S含量的S,N,P共掺杂的介孔碳材料作为燃料电池氧还原催化剂的应用。所述的高S含量的S,N,P共掺杂的介孔碳材料作为超级电容器催化剂的应用。通过采用上述技术，与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：本专利技术成功设计了一种新奇、有效的方法合成4种高S含量的S，N，P共掺杂的介孔碳材料，通过引入磷酸二氢钠到含S，N的前驱体2-氨基噻唑中高温碳化一步法得到高S含量的SNPPC；其中SNPPC-800 S含量高达12.58%，比表面积达到1122.46m2/g；高的S含量归因于磷酸二氢钠中含氧官能团促进了对S的吸附，磷酸二氢纳中的钠对掺杂材料的形成具有催化作用。与其他SNPPC材料相比，SNPPC-800具有高的锂电池比容量，优异的倍率性能，更好的长程循环能力，除此之外，SNPPC-800展示较好的ORR和超级电容器性能。经本专利技术作出的一系列表征和性能测试表明优异的性能源于高S含量的S,N的协同作用。因此，本研究提供了一个潜在无金属ORR催化剂和锂电池负极材料，提高了这类材料实际应用的可能性。附图说明图1a为1微米的SNPPC-800的扫描电镜图；图1b为100纳米的SNPPC-800的透射电镜图；图1c为20纳米的SNPPC-800的透射电镜图；图1d 为5纳米的SNPPC-800的透射电镜图；图1e为SNPPC-800的X射线能谱图扫描区域；图1g为SNPPC-800的X射线能谱图氮扫；图1h 为SNPPC-800的X射线能谱图硫扫；图1f为SNPPC-800的X射线能谱图碳扫；图1i为SNPPC-800的X射线能谱图磷扫；图2为4种不同SNPPC产品的X射线衍射图；图3为4种不同SNPPC产品的拉曼射线衍射图；图4为4种不同SNPPC产品的X射线光电子谱宽谱图；图5为4种不同SNPPC产品的N2吸附曲线；图6为4种不同SNPPC产品的孔径分布图；图7为SNPPC-800和SNPPC-700在100mA.g-1的循环性能图；图8为SNPPC-800和SNPPC-700在500mA.g-1的循环性能图；图9为SNPPC-800和SNPPC-700在1000mA.g-1的循环性能图；图10为SNPPC-800和SNPPC-700的倍率性能图；图11 所有材料在1600rpm的线性伏安图；图12为所有材料在0.365V时的K-L线；图13为SNPPC-800、NPC-800和商业 Pt/C (20%负载量) 的电子数；图14为SNPPC-800和Pt/C (20 %负载量)的抗毒性；图15为SNPPC-800的超级电容器CV图；图16为SNPPC-800的超级电容器倍率性能图；图17为SNPPC-800、SNPPC-700和SNPC-800的超级电容器倍率性能图；图18为SNPPC-800超级电容器循环寿命图。具体实施方式下面以具体实施例对本专利技术的技术方案做进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于此：实施例1 介孔碳材料SNPPC-800的制备称取2-氨基噻唑（0.1282g），磷酸二氢钠（0.1536g），并且手工混合均匀，之后将2-氨基噻唑放在两层ZnCl2（各0.1736g）材料中间，呈三明治状，再置于石英舟中，放在管式炉中，N2（速度为30ml/min）气氛下以5℃/min升温到每个温度段保持2h，得到黑色粉末，用35%的盐酸洗去残留的ZnCl2，用去离子水和乙醇洗3次，在真空干燥箱80℃下干燥3h，最后在管式炉中N本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于以2‑氨基噻唑和磷酸二氢钠为原料，ZnCl2为催化剂和溶剂，氮气气氛下，将上述原料放入管式炉中一步法合成高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于以2-氨基噻唑和磷酸二氢钠为原料，ZnCl2为催化剂和溶剂，氮气气氛下，将上述原料放入管式炉中一步法合成高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征在于具体步骤如下：1）以2-氨基噻唑为N源和S源，磷酸二氢钠为P源，手工混合均匀，并且与氯化锌形成三明治结构，再放入石英舟中；2）将步骤1）得到的石英舟放入管式炉中，在N2气氛下以5℃/min升温至800℃，每个温度段保持2h，一步法得到高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料；3）取出步骤2）反应后的石英舟，将石英舟里的产物用35%的盐酸洗涤，除去氯化锌，再用去离子水和乙醇洗涤除去盐酸，然后将产品在真空干燥箱干燥，干燥后得到产品SNPPC-800。3.根据权利要求2所述的一种高S含量的P，S，N共掺杂的介孔碳材料的合成方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，柏家奇，庄桂林，高义粉，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33