本申请公开了一种杂原子掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用。多孔炭以生物质或生物质水解产物为前驱体，利用水溶性含氧酸盐水溶液处理生物质得到生物质水解产物/含氧酸盐混合溶液，或直接将生物质水解产物加入含氧酸盐水溶液中，随后将溶液干燥产物进行热解、水洗，借助水溶性含氧酸盐的活化、模板、掺杂、催化等作用制备得到多孔炭。该杂原子掺杂多孔炭材料具有独特的微观形貌和分级孔结构，而且含有两种或多种杂原子(如氮、氧、硫、磷、硼等)；该材料应用于混合型离子电容器、碱金属离子电池、超级电容器和燃料电池的电极材料时，展现了良好的电化学性能。电化学性能。电化学性能。
【技术实现步骤摘要】
杂原子掺杂多孔炭材料及其制备方法和应用
[0001]本申请涉及一种杂原子掺杂的生物质基多孔炭及其制备技术，以及使用该材料作为电极活性材料构建混合型离子电容器、碱金属离子电池、超级电容器和燃料电池，属于多孔炭电极材料领域。
技术介绍
[0002]清洁能源的高效利用可有效解决能源和环境问题，对于人类社会的可持续性发展具有重要意义。开发高性能的电化学能量存储与转化器件(如锂离子电池、超级电容器、燃料电池等)是实现清洁能源高效利用的最有效途径之一。电极材料是电化学能量存储与转化器件的重要组成部分，决定着器件的电化学性能。开发高性能、低成本的电极材料是提升电化学能量存储与转换器件性能并推动其规模化应用的有效策略。
[0003]多孔炭由于具有导电性高、化学性能稳定、结构组成易调控、前驱体来源广泛等优点，被认为是最具发展潜力的电化学能量存储与转换器件的电极材料。其中，具有开放孔结构、丰富缺陷和杂原子掺杂的多孔炭作为电化学能量存储与转换器件的电极材料时，往往表现出优异的电化学性能。然而，多孔炭的制备通常需要复杂的制备条件和额外的活化剂、模板剂和掺杂剂等，存在成本高昂、环境不友好等问题：(1)大部分的多孔炭前驱体具有单一的结构组成和较高的成本；(2)开放孔结构的设计往往需要借助模板法或活化法实现，模板和活化效果取决于模板剂或活化剂在前驱体中的分散性，在炭化后一般还要利用酸性或碱性试剂去除残留的模板剂或活化剂；(3)杂原子的引入一般需要额外的掺杂剂，掺杂效果则取决于掺杂剂在前驱体中的分散程度和掺杂条件的严格控制。因此，对于前驱体和助剂的选择以及制备方案的设计是高性能、低成本多孔炭制备的难点之一。
[0004]生物质(如广泛存在于动物的骨、皮、壳、磷和植物的根、茎、叶、花、果实)和生物质的水解产物(如壳明胶、壳聚糖、海藻酸、蔗糖、葡萄糖、植酸)具有资源丰富、成本低廉的特点，作为炭前驱体可以降低炭材料的制备成本并实现资源的有效利用。此外，生物质富含碳、氮、氧等多种元素，通过热解可直接得到杂原子掺杂的炭材料。因此生物质可以作为制备多孔炭的理想前躯体。但是目前以生物质为前驱体制备的多孔炭往往存在形貌结构和化学组成单一、孔结构利用率低等问题，导致其作为电极材料时的电化学性能差，难以满足高性能电化学能量存储与转换器件的使用要求。
[0005]因此，如何设计简单高效的方案，以生物质为多孔炭前驱体精确调控多孔炭的形貌结构和化学组成，实现低成本、高性能多孔炭电极材料的制备对推动电化学能量存储与转换器件的发展及应用具有重要意义。
技术实现思路
[0006]本专利技术提供一种简单高效、成本低廉的方法，用于制备杂原子掺杂的生物质多孔炭，该材料具有独特的微观形貌、分级孔结构、杂原子掺杂、丰富的缺陷以及高的比表面积。该材料作为混合型离子电容器、碱金属电池、超级电容器和燃料电池的电极材料时展现了
良好的电化学性能。
[0007]本专利技术的具体方案是：以生物质或生物质水解产物为前驱体，以水溶性含氧酸盐为助剂。由于助剂良好的水溶性，本专利技术将利用含氧酸盐水溶液处理生物质得到生物质水解产物/含氧酸盐混合溶液，或直接将生物质水解产物加入含氧酸盐水溶液，将溶液冷冻干燥或热干燥后，将溶液干燥产物进行热解水洗，借助水溶性含氧酸盐的活化、模板、掺杂、催化等作用制备得到多孔炭。该材料具有开放的一维管状或二维片状或三维蜂窝状形貌，比表面积为100
‑
3000m
2 g
‑1，孔径范围0.5nm～50μm，孔容为0.1～3.0cm
3 g
‑1，纳米管长径比为5～1000，纳米片的片层厚度约为1～100nm，蜂窝状孔尺寸为0.5nm～50μm，掺杂有氮(1.0～20.0at.％)、氧(5～20.0at.％)、硫(0.2～15.0at.％)、磷(0.5～20.0at.％)、硼(0.5～10.0at.％)中的两种或几种杂原子。
[0008]根据本申请的第一个方面，提供一种杂原子掺杂多孔炭材料。
[0009]一种杂原子掺杂多孔炭材料，所述杂原子掺杂多孔炭材料具有分级多孔结构；
[0010]所述杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为一维管状、二维片状或三维蜂窝状。
[0011]可选地，所述杂原子掺杂多孔炭材料的比表面积为100
‑
3000m
2 g
‑1，孔径范围为0.5nm～50μm，孔容为0.1～3.0cm
3 g
‑1。
[0012]可选地，当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为一维管状时，纳米管长径比为5～1000。
[0013]可选地，当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为二维片状时，纳米片的片层厚度为1～100nm。
[0014]可选地，当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为三维蜂窝状时，蜂窝状孔尺寸为0.5nm～50μm。
[0015]可选地，杂原子掺杂多孔炭材料中，掺杂的杂原子选自氮、氧、硫、磷、硼中的至少两种。
[0016]可选地，所述杂原子掺杂多孔炭材料的比表面积独立地选自100m
2 g
‑1、300m
2 g
‑1、500m
2 g
‑1、700m
2 g
‑1、1000m
2 g
‑1、1300m
2 g
‑1、1500m
2 g
‑1、1700m
2 g
‑1、2000m
2 g
‑1、2300m
2 g
‑1、2500m
2 g
‑1、2700m
2 g
‑1、3000m
2 g
‑1中的任意值或任意两者之间的范围值。
[0017]可选地，所述杂原子掺杂多孔炭材料的孔径独立地选自0.5nm、1nm、5nm、10nm、50nm、100nm、500nm、1μm、5μm、10μm、15μm、20μm、30μm、40μm、50μm中的任意值或任意两者之间的范围值。
[0018]可选地，所述杂原子掺杂多孔炭材料的孔容独立地选自0.1cm
3 g
‑1、0.2cm
3 g
‑1、0.5cm
3 g
‑1、1cm
3 g
‑1、2cm
3 g
‑1、3cm
3 g
‑1、4cm
3 g
‑1、5cm
3 g
‑1中的任意值或任意两者之间的范围值。
[0019]可选地，所述氮的掺杂量为1.0～20.0at.％。
[0020]可选地，所述氧的掺杂量为5.0～20.0at.％。
[0021]可选地，所述硫的掺杂量为0.2～15.0at.％。
[0022]可选地，所述磷的掺杂量为0.5～20.0at.％。
[0023]可选地，所述硼的掺杂量为0.5～10.0at.％。
[0024]可选地，所述氮的掺杂量独立地选自1.0at.％、2.0at.％、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂多孔炭材料，其特征在于，所述杂原子掺杂多孔炭材料具有分级多孔结构；所述杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为一维管状、二维片状或三维蜂窝状。2.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔炭材料，其特征在于，所述杂原子掺杂多孔炭材料的比表面积为100
‑
3000m2g
‑1，孔径范围为0.5nm～50μm，孔容为0.1～3.0cm3g
‑1；优选地，当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为一维管状时，纳米管长径比为5～1000；当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为二维片状时，纳米片的片层厚度为1～100nm；当杂原子掺杂多孔炭材料的形貌为三维蜂窝状时，蜂窝状孔尺寸为0.5nm～50μm。3.根据权利要求1所述的杂原子掺杂多孔炭材料，其特征在于，杂原子掺杂多孔炭材料中，掺杂的杂原子选自氮、氧、硫、磷、硼中的至少两种；优选地，所述氮的掺杂量为1.0～20.0at.％；所述氧的掺杂量为5.0～20.0at.％；所述硫的掺杂量为0.2～15.0at.％；所述磷的掺杂量为0.5～20.0at.％；所述硼的掺杂量为0.5～10.0at.％。4.一种杂原子掺杂多孔炭材料的制备方法，其特征在于，包括：将含有生物质前驱体、水溶性含氧酸盐、水的混合溶液进行反应，得到的混合物除杂后进行冷冻干燥，得到固体，将所述固体炭化，洗去非炭物质，得到所述杂原子掺杂多孔炭材料；所述生物质前驱体为生物质和/或生物质水解产物。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述水溶性含氧酸盐选自磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐、碳酸盐、硼酸...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘梦月，王峰，牛津，王鹏飞，冯相超，朱峰，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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