本發(fā)明涉及一種氮硫共摻雜多孔碳纖維的制備方法，具體涉及一種首先將棉花碳化制備碳纖維，再將其與氮、硫源、活化試劑混合，高溫處理制備超級(jí)電容器用氮硫共摻雜多孔碳纖維的新方法。

背景技術(shù)：

超級(jí)電容器由于具有充放電速率快、高能力密度和功率密度、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性以及高穩(wěn)定性而成為科研工作者們廣泛關(guān)注的儲(chǔ)能設(shè)備。根據(jù)能源儲(chǔ)存機(jī)理不同超級(jí)電容器可分為雙電層和贗電容兩種電容器，電極材料是決定超級(jí)電容器性能的關(guān)鍵因素之一。多孔碳由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大、孔隙發(fā)達(dá)、孔徑可調(diào)等眾多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于超級(jí)電容器電極材料。目前，應(yīng)用于超級(jí)電容器的多孔碳材料有很多種，如球形碳，顆粒狀碳，纖維狀碳等。其中，多孔碳纖維質(zhì)量輕，拉伸強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性優(yōu)異，其表面分布著豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，可增大其與電解質(zhì)的接觸面積，縮短離子傳輸路徑。提高儲(chǔ)能效率，這些性質(zhì)促進(jìn)了多孔碳纖維被廣泛研究。同時(shí)研究成果表明，雜原子(n、b、p、s、f、ni、co等)摻雜是行之有效的提升碳材料電化學(xué)性能的路徑。例如，在電容器電極材料領(lǐng)域，氮硫元素的摻雜可以通過影響碳材料的電子接收或供給特性，影響雙電層的形成。另外，氮元素的摻雜還可以增強(qiáng)碳材料的導(dǎo)電性，促進(jìn)離子的快速遷移，引入贗電容，從而提高碳材料在超級(jí)電容器電極材料上的表現(xiàn)。因此制備氮硫共摻雜的多孔碳材料具有重要的研究?jī)r(jià)值。

專利cn105931855a公開了一種超級(jí)電容器用氮硫共摻雜碳-聚苯胺復(fù)合材料的合成方法。其涉及水溶液法合成聚(苯胺-唆吩)復(fù)合材料，高溫?zé)峤夥ê铣傻蚬矒诫s碳材料，化學(xué)氧化法合成氮硫共摻雜碳-聚苯胺復(fù)合材料并用于超級(jí)電容器的研究，包括以下步驟：制備聚(苯胺一唆吩)復(fù)合材料、制備氮硫共摻雜碳材料、制備氮硫共摻雜碳-聚苯胺復(fù)合材料電極。本發(fā)明的有益效果是：復(fù)合材料擁有更好的導(dǎo)電性，更小的電極電阻，更好的電容性能，且表現(xiàn)出更好的循環(huán)穩(wěn)定性。專利cn105776178a公開了一種利用煤直接液化重質(zhì)有機(jī)分制備的氮硫共摻雜多孔炭及其制備方法和應(yīng)用。該方法包括如下步驟：(1)將煤直接液化重質(zhì)有機(jī)物研磨成粉末，經(jīng)過經(jīng)基化、梭酸化或磺化得到親水性第一產(chǎn)物；(2)將第一產(chǎn)物與甲醛和硫脈的混合物反應(yīng)得到含氮、硫的第二產(chǎn)物；(3)將第二產(chǎn)物與一定比例的鎂源機(jī)械混合，而后放置于炭化爐中炭化，得到氧化鎂與氮硫共摻雜多孔炭混合物；經(jīng)酸洗去除氧化鎂得到氮硫共摻雜多孔炭。本發(fā)明制備的氮硫共摻雜多孔炭具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，是一種高性能的超級(jí)電容器電極材料。專利cn105084358a公開了一種用于超級(jí)電容器的氮硫共摻雜活性炭的制備方法。氮硫共摻雜活性炭主要由下述組合物按其重量份數(shù)比配比，經(jīng)炭化和活化工藝而制取；所述的組合物為：大發(fā)梧桐科植物果實(shí)經(jīng)炭化后粉狀1-2份；堿性活化劑1-4份；該制備方法包括如下步驟，(1)炭化：①浸泡：②水熱處理：③離心濾水；④烘干；⑤研磨；(2)活化：①采用階段式升溫和保溫：②緩慢降溫；③鹽酸溶液浸泡：④水洗；⑤烘干；烘干后即成為超級(jí)電容器用氮硫共摻雜活性炭。專利cn106492749a公開了一種氮、硫共摻雜微孔-介孔碳微球的制備方法。本發(fā)明涉及一種氮、硫共摻雜微孔-介孔碳微球的制備方法。將氨基酚、甲醛溶液、l-半膚氨酸、表面活性劑、硅溶膠、乙醇和水按一定質(zhì)量比混合。將水和乙醇在20-35℃下混勻并將其余原料依次加入其中，反應(yīng)24h后于100℃水熱處理24h，在氮?dú)鈿夥罩校?-10℃/min的升溫速率從室溫升到600-900℃炭化，用naoh除去二氧化硅，得到氮、硫共摻雜介孔碳微球。

以上專利原料多為有機(jī)化合物，合成過程相對(duì)復(fù)雜，制備的氮硫共摻雜的碳材料并非纖維狀，因此以可再生的生物質(zhì)為原料制備氮硫共摻雜的多孔碳纖維具有重要的研究意義。棉花是一種天然的具有纖維結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)資源，碳化后仍能保持纖維結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有良好的機(jī)械性能。因此，以棉花為原料，通過碳化、活化、氮硫共摻雜的方式制備具有高比表面積、良好機(jī)械性能的超級(jí)電容器電極材料具有一定研究?jī)r(jià)值。

本專利是以棉花為原料，將其碳化為纖維，再通過氮、硫的引入，結(jié)合化學(xué)活化制備機(jī)械性能良好的超級(jí)電容器用氮硫共摻雜多孔碳纖維。本路線原料來源廣泛、合成方法簡(jiǎn)便，通過調(diào)節(jié)活化試劑和氮硫的加入量控制多孔碳纖維的孔隙發(fā)達(dá)程度和氮硫摻雜量，最終制備機(jī)械性能良好的超級(jí)電容器用氮硫共摻雜多孔碳纖維。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是提供一種以棉花為碳源制備機(jī)械性能良好的超級(jí)電容器用氮硫共摻雜多孔碳纖維的新方法。

本發(fā)明首先將棉花700～950℃碳化為纖維，將碳纖維與活化試劑、硫脲按質(zhì)量比1∶2∶2～1∶7∶6(g/g/g)混合，向其中加入適量蒸餾水混合均勻，將混合物浸漬12h后在105℃烘箱中干燥5h，將混合物在700～1000℃管式爐中活化處理0.5～3h，固體洗滌、干燥，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試。

本發(fā)明的特征在于：所述活化劑為碳酸氫鉀和氫氧化鉀的混合物或碳酸氫鉀和氫氧化鈉的混合物。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1：首先將棉花在管式爐中850℃下碳化1h，將得到的碳纖維與活化試劑(khco3∶koh的質(zhì)量比為1∶2)、硫脲按質(zhì)量比1∶5∶4(g/g/g)混合，向其中加入適量蒸餾水混合均勻，將混合物浸漬14h后在105℃烘箱中干燥5h，將混合物在800℃管式爐中活化處理1.5h，固體洗滌、干燥，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維進(jìn)行電化學(xué)性能測(cè)試，以6mol/l的氫氧化鉀為電解液，測(cè)得比容量為338f/g，循環(huán)5000次容量保持率為98％左右。

實(shí)施例2：改變碳纖維與活化試劑(khco3∶koh的質(zhì)量比為1∶2)、硫脲的質(zhì)量比1∶4∶5(g/g/g)，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為315f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。

實(shí)施例3：改變碳纖維與活化試劑(khco3∶koh的質(zhì)量比為1∶2)、硫脲的質(zhì)量比1∶6∶3(g/g/g)，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為323f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。

實(shí)施例4：改變混合物800℃管式爐中活化處理時(shí)間為2h，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為309f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。

實(shí)施例5：改變混合物800℃管式爐中活化處理時(shí)間為1h，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為318f/g，循環(huán)5000次容量保持率為96％左右。

實(shí)施例6：改變混合物在管式爐中活化處理溫度為900℃，活化時(shí)間為1h，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為298f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。

實(shí)施例7：改變碳纖維與活化試劑(khco3∶naoh的質(zhì)量比為1∶3)、硫脲的質(zhì)量比1∶5∶4(g/g/g)，將混合物在800℃管式爐中活化處理2h，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為315f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。

實(shí)施例8：改變碳纖維與活化試劑(khco3∶naoh的質(zhì)量比為1∶3)、硫脲的質(zhì)量比1∶6∶3(g/g/g)，將混合物在850℃管式爐中活化處理1.5h，其他條件同實(shí)施例1，得到的氮硫共摻雜多孔碳纖維的比電容為328f/g，循環(huán)5000次容量保持率為97％左右。