本發(fā)明屬于新能源材料，具體涉及一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、超級電容器是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲能裝置，具有使用壽命長和快速充放電的能力。盡管與目前主流的鋰離子電池相比，超級電容器表現(xiàn)出更高的功率密度(advanced?functional?materials,2023,33(14):2213095.)，但其有限的電荷存儲容量極大地限制了能量密度。因此，亟需開發(fā)性能優(yōu)異且綠色環(huán)保的新型超級電容器電極材料(chemical?engineering?journal,2024,499:156693.)。超級電容器電極材料主要包括碳基材料、金屬氧化物、導(dǎo)電聚合物等；其中以生物質(zhì)作為前驅(qū)體所制備碳基電極材料具有孔隙豐富、導(dǎo)電性較高、制備方法綠色和低成本等優(yōu)勢，從而受到廣泛研究。然而，傳統(tǒng)生物質(zhì)基碳材料往往難以滿足高能量密度的儲能需要。當(dāng)前研究表明，通過摻雜n、s、p、b等雜原子可顯著提升碳材料的性能，實現(xiàn)在碳材料表面修飾氧化還原活性物質(zhì)。碳材料表面缺陷位點與氧化還原物質(zhì)之間形成的極化化學(xué)鍵可產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，這不僅能夠有效降低電極/電解質(zhì)界面能，改善電解質(zhì)離子在碳電極表面的潤濕特性，還可通過提供額外的贗電容貢獻來提升材料的整體電化學(xué)性能(the?chemical?record,2024,24(1):e202300153.)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法及應(yīng)用。本發(fā)明制備的n/s共摻雜多級孔碳材料可作為超級電容器電極材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1mol/l?h2so4電解液中，電流密度為0.5a/g時，最高比電容可達521f/g，此時庫倫效率為96％，在10a/g的電流密度下充放電循環(huán)10000次后容量保持率為91％，n/s共摻雜多級孔碳材料作為超級電容器電極材料具有很大的應(yīng)用潛力。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、步驟一、對β-環(huán)糊精進行提純處理，去除掉不溶性雜質(zhì)，得到純化β-環(huán)糊精；

4、步驟二、將步驟一中的純化β-環(huán)糊精溶于n,n-二甲基甲酰胺中，加入六亞甲基二異氰酸酯作為交聯(lián)劑，加入乙醇作為不良溶劑引發(fā)交聯(lián)，相分離后用去離子水進行溶劑置換，冷凍干燥，得到聚(β-cd-co-hdi)整體材料；

5、步驟三、將步驟二中得到的聚(β-cd-co-hdi)整體材料在硫脲溶液中進行溶劑置換，過濾后冷凍干燥，得到聚(β-cd-co-hdi)/硫脲復(fù)合多級孔材料；

6、步驟四、將步驟三中得到的聚(β-cd-co-hdi)/硫脲復(fù)合多級孔材料在氮氣氛圍下進行預(yù)碳化，冷卻至室溫后取出預(yù)碳化后的產(chǎn)物與活化劑混合，加水后進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，然后在氮氣氛圍下進行活化；或者將步驟三中得到的聚(β-cd-co-hdi)/硫脲復(fù)合多級孔材料與活化劑混合，加水后進行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)干燥，然后在氮氣氛圍下進行活化；

7、步驟五、對步驟四中活化后的產(chǎn)物進行酸洗，干燥，得到n/s共摻雜多級孔碳材料。

8、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟一中所述提純處理的具體方法包括：

9、步驟101、將β-環(huán)糊精溶于85℃～95℃蒸餾水至飽和，趁熱過濾除去不溶性雜質(zhì)，濾液冷卻至室溫后于2℃～6℃冷藏5h～15h，真空干燥；

10、步驟102、將步驟101干燥后的β-環(huán)糊精按照步驟101的方法重復(fù)2～4次，得到純化β-環(huán)糊精。

11、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟二中純化β-環(huán)糊精的質(zhì)量與六亞甲基二異氰酸酯的體積之比為1:3～3:1，其中質(zhì)量的單位為g，體積的單位為ml，乙醇的體積為交聯(lián)體系總體積的0.5％～2％；步驟二中所述相分離的溫度為70℃～85℃，時間為6h～15h，溶劑置換的過程包括去離子水浸泡不超過48h。

12、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟三中所述硫脲溶液的濃度不大于3mol/l，溶劑置換時間不超過24h。

13、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟四中所述預(yù)碳化的溫度為200℃～500℃，升溫速率為5℃/min～20℃/min，預(yù)碳化時間不超過2h。

14、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟四中預(yù)碳化后的產(chǎn)物與活化劑的質(zhì)量比1:(0.5～5)，水的添加量為10ml/g～50ml/g，活化的溫度為600℃～800℃，升溫速率為5℃/min～20℃/min，時間為1h～3h。

15、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟四中所述的活化劑為氫氧化鉀、氫氧化鈉、磷酸和氯化鋅中的一種或幾種。

16、上述的一種n/s共摻雜多級孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟四中預(yù)碳化和活化階段的氮氣流速均為10ml/min～120ml/min。

17、進一步地，本發(fā)明提供了一種上述方法制備的n/s共摻雜多級孔碳材料在超級電容器電極中的應(yīng)用。

18、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點：

19、1.本發(fā)明采用具有疏水內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的β-環(huán)糊精(β-cd)，通過使用六甲亞基二異氰酸酯(hdi)交聯(lián)劑進行化學(xué)交聯(lián)反應(yīng)，hdi的異氰酸酯基團(-nco)會與β-cd的羥基(-oh)發(fā)生加成反應(yīng)從而將β-cd分子交聯(lián)在一起，得到聚(β-cd-co-hdi)整體材料，提高了β-cd單體的分子量與穩(wěn)定性；然后使用硫脲溶液對聚(β-cd-co-hdi)整體材料進行溶劑置換，硫脲分子可以通過聚(β-cd-co-hdi)整體材料豐富的大孔結(jié)構(gòu)進入到材料內(nèi)部，β-cd與硫脲分子間的疏水作用、氫鍵作用以及范德華力可以使硫脲分子均勻地附著在材料內(nèi)部，再經(jīng)過冷凍干燥后得到聚(β-cd-co-hdi)/硫脲復(fù)合多級孔材料；最后在高溫下通過預(yù)碳化與活化過程，得到n/s共摻雜多級孔碳材料。

20、2.本發(fā)明所使用的β-cd作為一種生物質(zhì)材料，來源廣泛，價格低廉，其具有獨特的疏水空腔結(jié)構(gòu)，當(dāng)與硫脲溶液進行溶劑置換時，通過疏水作用力致使硫脲分子的非極性部分進入到其空腔內(nèi)部，可以提高硫脲分子在聚(β-cd-co-hdi)整體材料內(nèi)部的均勻性，從而很大程度上解決利用傳統(tǒng)方法(如混合法)摻雜雜原子難控制、不均勻等問題。

21、3.本發(fā)明制備的n/s共摻雜多級孔碳材料可作為超級電容器電極材料，具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，在1mol/l?h2so4電解液中，電流密度為0.5a/g時，最高比電容可達521f/g，此時庫倫效率為96％，在10a/g的電流密度下充放電循環(huán)10000次后容量保持率為91％，n/s共摻雜多級孔碳材料作為超級電容器電極材料具有很大的應(yīng)用潛力。

22、下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。