一种制备杂原子掺杂煤基多孔炭球的方法与流程

本发明涉及一种制备杂原子掺杂煤基多孔炭球的方法，属于材料合成与储能领域。

背景技术：

超级电容器因其很高的能量密度和功率密度，在能源存储和转换中起着重要的作用，而且超级电容器具有巨大的优点，特别是在快速充电和放电以及极长的循环寿命方面。电极材料是影响超级电容器电化学性能的主要因素，因此制备高性能的电极材料是目前研究重点。多孔炭材料因其物理和化学稳定性高，质轻，导电性好，孔隙结构可调，比表面积大等优点，在储能领域被当做载体或直接应用。而多孔炭材料的性能则主要取决于比表面积、孔结构，导电性和表面性质等因素。而多孔炭的表面性质也是影响其电化学性能的重要因素，如何对多孔炭材料进行表面改性，提高材料对电解液的浸润性是目前需要解决的一大难题。而通过杂原子掺杂是对多孔炭材料表面改性的一种主要方法，提供更多的活性位点，提高材料的电解液浸润性。

多孔炭材料包括活性炭、炭气凝胶、多孔炭纤维、多孔炭球等不同形态，由于多孔炭球具有表面体积比高、堆积密度高、形状和尺寸均匀、分散性好等特点，被广泛应用于超级电容器电极材料方面。制备多孔炭球的方法有模板法，溶剂热法，化学气相沉积法等，制备多孔炭球使用的原料大都是高分子聚合物，葡萄糖，蔗糖等。而这些方法大都使用昂贵的前驱体、腐蚀性药品、高压装置和耗时耗力的后续活化、炭化等步骤。

因此，如何利用优质、绿色、廉价的原料，通过简便的方法实现多孔炭球的制备，成为目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了克服上述不足，本发明提供了一种制备杂原子掺杂煤基多孔炭球的方法。本发明以廉价易得的新疆黑山煤为原料，以水为溶剂，无需模板剂，分别以三磷酸腺苷和l-半胱氨酸这种无毒无害的生物分子为杂原子源，采用超声喷雾热解法，一步成球、炭化和活化制备了杂原子掺杂煤基多孔炭球，并研究了其形貌和组成。

本发明的技术方案如下：

将10克过筛煤粉加入1升烧杯中，置于通风处内，在冰水浴下，边搅拌边将混酸溶液（v硫酸：v硝酸=3:1）缓慢加入烧杯中，待反应完全后，加入蒸馏水稀释。通过多次洗涤、干燥后得到固体物质，称为氧化煤。配制质量百分数是1%，酸碱度为中性的氧化煤水溶液。

其中氧化煤与杂原子源的质量比为3:1。通过超声喷雾热解法在700摄氏度下，一步成球、炭化和活化，再经洗涤、干燥得到杂原子掺杂煤基多孔炭球。得到的多孔炭球粒径在50纳米~1000纳米，具有良好的分散性。用此方法制备了氮掺杂煤基多孔炭球和氮硫掺杂煤基多孔炭球，并研究了其形貌和组成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：以这种价格低廉、储量丰富且含炭量高的煤为原料，通过超声喷雾热解法一步成球、炭化和活化，无需后续复杂处理步骤。原材料廉价易得，制备方法简单，杂原子源选择范围广，作为超级电容器电极材料，其电化学性能优异等特点都使本发明具有极为广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明第1实施例制备的产物的扫描电子显微镜照片和元素分布图。

图2为本发明第1实施例制备的产物的x射线光电子能谱。

图3为本发明第2实施例制备的产物的扫描电子显微镜照片和元素分布图。

图4为本发明第2实施例制备的产物的x射线光电子能谱。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明作进一步阐述。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，基于本发明的原理对本发明所做出的各种改动或修改同样落入本发明权利要求书所限定的范围。

实施例1

将10克过筛煤粉加入1升烧杯中，置于通风处内，在冰水浴下，边搅拌边将混酸溶液（v硫酸：v硝酸=3:1）缓慢加入烧杯中，待反应完全后，加入蒸馏水稀释。通过多次洗涤、干燥后得到固体物质，称为氧化煤。

配制配制质量百分数是1%的氧化煤溶液，加入三磷酸腺苷与氧化煤的质量比为1:3，将溶液酸碱度调为中性。通过超声喷雾热解法在700摄氏度下，一步成球、炭化和活化，再经洗涤、干燥得到氮掺杂煤基多孔炭球，再经洗涤、干燥得到氮掺杂煤基多孔炭球，具有良好的分散性。

实施例2

配制质量百分数是1%的氧化煤溶液，加入l-半胱氨酸与氧化煤的质量比为1:3，将溶液酸碱度调为中性。通过超声喷雾热解法在700摄氏度下，一步成球、炭化和活化，再经洗涤、干燥得到氮掺杂煤基多孔炭球，再经洗涤、干燥得到氮硫双掺杂煤基多孔炭球，具有良好的分散性。

从图1、3，扫描电子显微镜照片和元素分布图可以看出我们成功制备了杂原子掺杂煤基多孔炭球，且杂原子氮和硫，均匀分布在炭球表面。从图2，x射线光电子能谱可以看出实施例1成功地掺杂了杂原子氮，从图4，x射线光电子能谱可以看出实施例1成功地掺杂了杂原子氮和硫。本发明提供了一种超声喷雾热解制备杂原子掺杂多孔炭球的方法。该方法，一步成球、炭化和活化，无需后续复杂处理步骤，原材料廉价易得，制备方法简单，，操作简便使本发明具有极为广阔的应用前景。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种制备杂原子掺杂煤基多孔炭球的方法。该方法用廉价的原料：新疆黑山煤、盐酸和硝酸，三磷酸腺苷和L‑半胱氨酸作为反应物，通过简单的操作过程，采用超声喷雾热解法制备了杂原子掺杂煤基多孔炭球。本发明提供的制备杂原子掺杂煤基多孔炭球的方法具有成本低、操作简便的特点，使本发明在储能、吸附、催化等领域具有极为广阔的应用前景。

技术研发人员：郭继玺;陈景景;贾殿赠
受保护的技术使用者：新疆大学
技术研发日：2019.03.11
技术公布日：2019.06.14