本发明具体涉及材料技术领域，特别是涉及一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法。
背景技术：
能源对于人类来说一直是一个重要的问题。不断增长的人口和经济发展,提高了化石燃料的消耗,导致大量的温室气体排放、气候变化,造成环境问题。生产和储存不同类型能量的替代方式正在成为人类亟待完成的使命。可再生能源,因其低成本和环境友好特性是最具吸引力的方式之一。以可持续的方式利用可再生能源的关键问题是如何有效地储存能量并满足需求。因此,能源存储设备的重要性在最近得到了认可。超级电容器,也叫电化学电容器,作为一类新兴储能器件,由于充放电速率快、循环寿命长、功率密度高等特点,被广泛使用于交通运输、工业生产等领域。在电容器中,电极材料是关键,决定电容器的主要性能指标。
多孔碳材料由于具有比表面积大、孔结构发达、耐酸碱、耐腐蚀、导电性优良、易于设计以及孔径可调等性质和特点,被广泛用作新型储能装置的电极材料，在工业上展现出巨大的应用潜力,而通过调控其组成结构以获得更优的性能并实现制备成本的控制一直是研究的重点。二维多孔碳材料能够提供较短的电解质扩散通道和较快的电子传输过程,因此在能量转换和储存装置中表现出优异的电化学性能.近年来的理论和实验研究表明,两元素共掺杂可使二维多孔碳材料的电化学性能得到明显提高.因此,共掺杂多孔碳材料的制备成为目前的研究热点之一。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种简单可行的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，以解决现有海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备过程对设备要求高、反应条件苛刻等技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供了一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将柚子皮切块，洗涤，干燥，并研磨成粉末；
步骤2：将柚子皮粉末与过硫酸铵混合研磨至充分分散；
步骤3：将步骤2所得的混合物高温预碳化反应得到氮硫共掺杂碳前驱体；
步骤4：将所得的氮硫共掺杂碳前驱体与koh混合分散并置于真空干燥箱中真空干燥；
步骤5：将干燥后的产品高温焙烧处理得到海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料。
优选地，所述的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法还包括：
步骤6：将得到的海绵状氮硫共掺杂多孔碳材料研磨后，与乙炔黑和ptfe乳液混合，超声分散，得到电极材料。
优选地，所述的步骤1中的干燥温度为100～200℃，干燥时间为12～24h。
优选地，所述的步骤2中柚子皮粉末与过硫酸铵的质量比为1：1～4。
优选地，所述的步骤3中反应温度为400～800℃，反应时间为2～8h。
优选地，所述的步骤4中所得的氮硫共掺杂碳前驱体与koh的质量比为1：1～4，干燥温度为60～100℃，干燥时间为12～24h。
优选地，所述的步骤5中焙烧温度为400～1000℃，焙烧时间为2～8h。
优选地，所述的步骤5中焙烧在氮气氛围下进行。
优选地，所述的步骤6中海绵状氮硫共掺杂多孔碳材料、乙炔黑和ptfe乳液的比例为8mg：1mg：100μl，ptfe乳液的固含量为5％-20％。
本发明得到的海绵状氮硫共掺杂碳材料以koh溶液或h2so4溶液作为电解液，选择三电极体系测定其电化学性能，三电极体系参比电极可以为ag/agcl参比电极、饱和hgcl2参比电极。
与现有方案相比，本发明的有益效果在于：本发明制备过程简单，仅用两步高温热解，来源为生物质废弃物，具有环境友好型特点，所制备的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料尺寸较为均一，操作简单方便，经济实用性强，原料较为廉价易得，生产成本低，具有广阔的应用前景和市场潜力。
附图说明
图1是实施例1制备的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的sem图。
图2是实施例2制备的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的sem图。
图3是实施例3制备的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的tem图。
图4是实施例4制备的海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的tem图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，具体步骤为：
(1)将新鲜柚子皮切成小块，用去离子水洗涤，并在100℃下干燥24h，研磨成粉末；
(2)将1g柚子皮粉末与1g过硫酸铵混合研磨直至充分分散；
(3)将所得的混合物在500℃下高温预碳化反应2h得到氮硫共掺杂碳前驱体；
(4)将0.5g所得氮硫共掺杂碳前驱体与0.5gkoh溶于5ml去离子水中充分混合分散并置于真空干燥箱中在60℃下真空干燥12h；
(5)最后将干燥好的产品转移至管式炉，在氮气氛围下，以每分钟5摄氏度的升温速率升温至600℃高温焙烧2h，得到海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料，从扫描电镜图(图1)中能够看出材料为海绵状结构。
(6)将得到的海绵状氮硫共掺杂碳材料研磨到100目后，使用电子天平准确称量样品8mg，加入到2ml的离心管中，加入1mg乙炔黑和100μl固含量为10％的ptfe乳液混合，然后放入超声清洗器中进行超声分散，得到所需的电极材料，将电极材料涂敷在泡沫镍上，涂敷厚度约为0.1～0.5μm。
海绵状氮硫共掺杂碳材料电化学性能测试：采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的海绵状氮硫共掺杂碳电极进行电化学性能测试。以6m的koh溶液作为电解液，工作电极为海绵状氮硫共掺杂碳电极，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。当电流密度为0.5a/g时，材料的比电容为335f/g。
实施例2
一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，具体步骤为：
(1)将新鲜柚子皮切成小块，用去离子水洗涤，并在120℃下干燥12h，研磨成粉末；
(2)将1g柚子皮粉末与2g过硫酸铵混合研磨直至充分分散；
(3)将所得的混合物在400℃下高温预碳化反应2h得到氮硫共掺杂碳前驱体；
(4)将0.5g所得氮硫共掺杂碳前驱体与2gkoh溶于5ml去离子水中充分混合分散并置于真空干燥箱中在100℃下真空干燥12h；
(5)最后将干燥好的样品转移至管式炉，在氮气氛围下，以每分钟5摄氏度的升温速率升温至700℃高温焙烧2h，得到海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料，从扫描电镜图(图2)中能够看出材料为海绵状结构。
(6)将得到的海绵状氮硫共掺杂碳材料研磨到100目后，使用电子天平准确称量样品8mg，加入到2ml的离心管中，加入1mg乙炔黑和100μl固含量为15％的ptfe乳液混合，然后放入超声清洗器中进行超声分散，得到所需的电极材料。将电极材料涂敷在泡沫镍上，涂敷厚度约为0.1～0.5μm。
(7)海绵状氮硫共掺杂碳材料电化学性能测试：采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的海绵状氮硫共掺杂碳电极进行电化学性能测试。以6m的koh溶液作为电解液，工作电极为海绵状氮硫共掺杂碳电极，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。当电流密度为0.5a/g时，材料的比电容为323f/g。
实施例3
一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，具体步骤为：
(1)将新鲜柚子皮切成小块，用去离子水洗涤，并在150℃下干燥12h，研磨成粉末；
(2)将1g柚子皮粉末与3g过硫酸铵混合研磨直至充分分散；
(3)将所得的混合物在600℃下高温预碳化反应4h得到氮硫共掺杂碳前驱体；
(4)将0.5g所得氮硫共掺杂碳前驱体与1gkoh溶于5ml去离子水中充分混合分散并置于真空干燥箱中在80℃下真空干燥24h；
(5)最后将干燥好的样品转移至管式炉，在氮气氛围下，以每分钟5摄氏度的升温速率升温至800℃高温焙烧4h，得到海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料。从透射电镜图(图3)中明显能够看出材料为海绵状结构，表面粗糙。
(6)将得到的海绵状氮硫共掺杂碳材料研磨到100目后，使用电子天平准确称量样品8mg，加入到2ml的离心管中，加入1mg乙炔黑和100μl固含量为5％的ptfe乳液混合，然后放入超声清洗器中进行超声分散，得到所需的电极材料。
(7)将电极材料涂敷在泡沫镍上，涂敷厚度约为0.1～0.5μm。
(8)海绵状氮硫共掺杂碳材料电化学性能测试：采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的海绵状氮硫共掺杂碳电极进行电化学性能测试。以1m的h2so4溶液作为电解液，工作电极为海绵状氮硫共掺杂碳电极，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。当电流密度为0.5a/g时，材料的比电容为301f/g。
实施例4
一种海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料的制备方法，具体步骤为：
(1)将新鲜柚子皮切成小块，用去离子水洗涤，并在200℃下干燥24h，研磨成粉末；
(2)将1g柚子皮粉末与4g过硫酸铵混合研磨直至充分分散；
(3)将所得的混合物在800℃下高温预碳化反应2h得到氮硫共掺杂碳前驱体；
(4)将0.5g所得氮硫共掺杂碳前驱体与1gkoh溶于5ml去离子水中充分混合分散并置于真空干燥箱中在60℃下真空干燥24h；
(5)最后将干燥好的样品转移至管式炉，在氮气氛围下，以每分钟5摄氏度的升温速率升温至1000℃高温焙烧2h，得到海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料。从透射电镜图(图4)中明显能够看出材料为海绵状结构，表面粗糙。
(6)将得到的海绵状氮硫共掺杂碳材料研磨到100目后，使用电子天平准确称量样品8mg，加入到2ml的离心管中，加入1mg乙炔黑和100μl固含量为10％的ptfe乳液混合，然后放入超声清洗器中进行超声分散，得到所需的电极材料。
(7)将电极材料涂敷在泡沫镍上，涂敷厚度约为0.1～0.5μm。
(8)海绵状氮硫共掺杂碳材料电化学性能测试：采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的海绵状氮硫共掺杂碳电极进行电化学性能测试。以1m的h2so4溶液作为电解液，工作电极为海绵状氮硫共掺杂碳电极，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。当电流密度为0.5a/g时，材料的比电容为323f/g。
和传统多孔碳电极材料相比具有较为规整的结构，其形貌从sem图中能够看出。海绵状氮硫共掺杂多孔碳电极材料尺寸较为均一，操作简单方便，经济实用性强，原料来源广泛，生产成本低，具有广阔的应用前景和市场潜力。
上述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所做的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。