本发明属于碳材料技术领域，涉及一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料及其制备与在超级电容器中的应用。
背景技术：
近年来，超级电容器受到研究者的广泛关注，它是一种介于常规电容器与化学电池之间的新型储能元件，不但具有传统电容器的放电功率，而且具备化学电池储备电荷的能力。与传统电容器相比，具有达到法拉第级别的超大电容量、较高的能量、较宽的工作温度范围和极长的使用寿命，充放电循环次数可达十万次以上，且不用维护。而且与化学电池相比，超级电容器具备较高的功率，且对环境无污染。因此，超级电容器是一种高效、实用、环保的能量存储装置，它优越的性能得到研究者的广泛关注与高度重视，目前发展十分迅速。
聚氨酯泡沫由大量微细孔和聚氨酯树脂孔壁经络构成，也叫pu泡沫，具有多孔性、密度低、比强度高等特点。根据所用原料品种的不同以及配方用量的变化，可以制得不同密度、不同性能的软质、半硬质以及硬质聚氨酯泡沫塑料，用于各种不同的用途，例如广泛应用于改善音质、控制噪声、隔热保温等需求的声学工程，建筑装饰业、工业、交通工具、航天航空、机电、家电、电子产品、服装织物等领域。聚氨酯的主要成分是低聚物多元醇(俗称白料)和多异氰酸酯(俗称黑料)，这种泡沫具有三维孔隙结构，即使在高温碳化后形成聚氨酯基碳材料，依然能保持优良的机械性能。
然而，现有的聚氨酯基碳材料的制备困难，合成步骤繁琐，材料性能不佳，限制了其进一步应用。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料及其制备与应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)将聚氨酯泡沫切成块状，之后清洗并烘干；
2)将步骤1)中烘干后的聚氨酯泡沫浸入磷酸盐溶液中，之后将吸收了磷酸盐溶液的聚氨酯泡沫置于烘箱中干燥；
3)将步骤2)中干燥后的聚氨酯泡沫进行高温煅烧，即得到所述的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
进一步地，步骤1)中，将聚氨酯泡沫切成(1.5-2.5)cm×(1.5-2.5)cm×(1.5-2.5)cm的立方体状。
进一步地，步骤1)中，清洗过程为：将聚氨酯泡沫用水和乙醇进行超声清洗20-40min。
进一步地，步骤1)中，烘干过程中，温度为60-90℃，时间为6-12h。
进一步地，步骤2)中，所述的磷酸盐溶液为磷酸钾溶液，该磷酸钾溶液的质量浓度为5-20％。
进一步地，步骤2)中，每8cm3的聚氨酯泡沫吸收20-30ml磷酸盐溶液。
进一步地，步骤2)中，干燥过程在真空烘箱中进行，干燥过程中，温度为60-100℃，时间为12-24h。
进一步地，步骤3)中，高温煅烧过程在氮气保护下进行，高温煅烧过程中，温度为600-800℃，时间为1-3h。
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，该材料采用所述的方法制备而成。
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料在超级电容器中的应用。
本发明中，聚氨酯泡沫氮含量高，通过碳化可形成多孔的具有三维结构的氮掺杂碳材料，这些孔相互贯通，有利于电解液的传输，可用作超级电容器碳材料的原料。氮掺杂不仅可以提高电极的表面活性和电容性，而且由于亲水基团的存在，还可以提高电极的电解质润湿性；磷掺入碳材料基体可以改变碳材料的表面化学活性和电化学性质。此外，氮磷共掺杂可以通过协同效应提高碳材料的整体性能。
与现有技术相比，本发明制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料电化学性能优良，且采用一步碳化法合成步骤简单，制备过程无毒害，成本低廉，符合市场需求，在电极材料领域有较大应用潜力，适于大规模的工业化生产。
附图说明
图1为实施例1中制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的tem图；
图2为实施例1中制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的cv图；
图3为实施例2中制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的tem图；
图4为实施例2中制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的gcd图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
1)将聚氨酯泡沫切成2cm×2cm×2cm立方体；
2)用去离子水和乙醇超声清洗30min，并在真空干燥箱中干燥12h，干燥温度为60℃；
3)将干燥好的聚氨酯泡沫浸入5％的磷酸钾溶液中，用玻璃棒反复挤压至溶液被聚氨酯泡沫均匀吸入；
4)将聚氨酯泡沫在真空烘箱中干燥12h，干燥温度为60℃；
5)将聚氨酯泡沫在氮气保护下高温煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧1h，得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
如图1所示，制得的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的尺寸较为均一，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tem图中能够看出为充满微孔的海绵结构，当制备成超级电容器电极材料时，这种材料表现出较好的电化学性能。
聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料进行电化学性能测试。工作电极为聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。以6mkoh溶液作为电解液，测试cv曲线，结果如图2所示。由cv曲线可以看出：在不同的扫描速度下，氮硫共掺杂碳电极的cv曲线形状接近矩形，说明材料具有良好的双电层电容。
实施例2：
1)将聚氨酯泡沫切成2cm×2cm×2cm立方体；
2)用去离子水和乙醇超声清洗30min并在真空干燥箱中干燥10h，干燥温度为60℃；
3)将干燥好的聚氨酯泡沫浸入10％磷酸钾溶液中，用玻璃棒反复挤压至溶液被聚氨酯泡沫均匀吸入；
4)将聚氨酯泡沫真空烘箱中干燥12h，干燥温度为80℃；
5)将聚氨酯泡沫在氮气保护下高温煅烧，煅烧温度为700℃，煅烧1h，得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其tem图如图3所示。
聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的电化学性能测试：
采用电化学工作站，在三电极体系中对制备的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料进行电化学性能测试。工作电极为聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，辅助电极为铂片，参比电极为ag/agcl电极。以6mkoh溶液作为电解液，测试gcd曲线。结果如图4所示，由gcd曲线得到：在不同的电流密度下，聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的gcd曲线形状接近三角形，说明材料具有良好的双电层电容，当电流密度为0.5a/g时，材料的比电容为267f/g。
实施例3：
1)将聚氨酯泡沫切成2cm×2cm×2cm立方体；
2)用去离子水和乙醇超声清洗30min并在真空干燥箱中干燥6h，干燥温度为80℃；
3)将干燥好的聚氨酯泡沫浸入15％磷酸钾溶液中，用玻璃棒反复挤压至溶液被聚氨酯泡沫均匀吸入；
4)将聚氨酯泡沫在真空烘箱中干燥6h，干燥温度为100℃；
5)将聚氨酯泡沫在氮气保护下高温煅烧，煅烧温度为700℃，煅烧3h，得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
实施例4：
1)将聚氨酯泡沫切成2cm×2cm×2cm立方体；
2)用去离子水和乙醇超声清洗30min并在真空干燥箱中干燥6h，干燥温度为80℃；
3)将干燥好的聚氨酯泡沫浸入20％磷酸钾溶液中，用玻璃棒反复挤压至溶液被聚氨酯泡沫均匀吸入；
4)将聚氨酯泡沫在真空烘箱中干燥6h，干燥温度为100℃；
5)将聚氨酯泡沫在氮气保护下高温煅烧，煅烧温度为800℃，煅烧3h，得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
实施例5：
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，用于超级电容器中。
该聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚氨酯泡沫切成1.5cm×1.5cm×1.5cm的立方体块状，之后将聚氨酯泡沫用水和乙醇进行超声清洗20min，并在90℃烘干6h。
2)将步骤1)中烘干后的聚氨酯泡沫浸入质量浓度为20％的磷酸钾溶液中，每8cm3的聚氨酯泡沫吸收20ml磷酸盐溶液，之后将吸收了磷酸盐溶液的聚氨酯泡沫置于烘箱中干燥，干燥过程在真空烘箱中进行，干燥过程中，温度为100℃，时间为12h。
3)将步骤2)中干燥后的聚氨酯泡沫在氮气保护下进行高温煅烧，温度为800℃，时间为1h，即得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
实施例6：
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，用于超级电容器中。
该聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚氨酯泡沫切成2.5cm×2.5cm×2.5cm的立方体块状，之后将聚氨酯泡沫用水和乙醇进行超声清洗40min，并在60℃烘干12h。
2)将步骤1)中烘干后的聚氨酯泡沫浸入质量浓度为5％的磷酸钾溶液中，每8cm3的聚氨酯泡沫吸收30ml磷酸盐溶液，之后将吸收了磷酸盐溶液的聚氨酯泡沫置于烘箱中干燥，干燥过程在真空烘箱中进行，干燥过程中，温度为60℃，时间为24h。
3)将步骤2)中干燥后的聚氨酯泡沫在氮气保护下进行高温煅烧，温度为600℃，时间为3h，即得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
实施例7：
一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，用于超级电容器中。
该聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的制备方法包括以下步骤：
1)将聚氨酯泡沫切成2cm×2cm×2cm的立方体块状，之后将聚氨酯泡沫用水和乙醇进行超声清洗30min，并在75℃烘干8h。
2)将步骤1)中烘干后的聚氨酯泡沫浸入质量浓度为10％的磷酸钾溶液中，每8cm3的聚氨酯泡沫吸收25ml磷酸盐溶液，之后将吸收了磷酸盐溶液的聚氨酯泡沫置于烘箱中干燥，干燥过程在真空烘箱中进行，干燥过程中，温度为80℃，时间为18h。
3)将步骤2)中干燥后的聚氨酯泡沫在氮气保护下进行高温煅烧，温度为700℃，时间为2h，即得到聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
1.一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)将聚氨酯泡沫切成块状，之后清洗并烘干；
2)将步骤1)中烘干后的聚氨酯泡沫浸入磷酸盐溶液中，之后将吸收了磷酸盐溶液的聚氨酯泡沫置于烘箱中干燥；
3)将步骤2)中干燥后的聚氨酯泡沫进行高温煅烧，即得到所述的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤1)中，将聚氨酯泡沫切成(1.5-2.5)cm×(1.5-2.5)cm×(1.5-2.5)cm的立方体状。
3.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤1)中，清洗过程为：将聚氨酯泡沫用水和乙醇进行超声清洗20-40min。
4.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤1)中，烘干过程中，温度为60-90℃，时间为6-12h。
5.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤2)中，所述的磷酸盐溶液为磷酸钾溶液，该磷酸钾溶液的质量浓度为5-20％。
6.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤2)中，每8cm3的聚氨酯泡沫吸收20-30ml磷酸盐溶液。
7.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤2)中，干燥过程在真空烘箱中进行，干燥过程中，温度为60-100℃，时间为12-24h。
8.根据权利要求1所述的一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，步骤3)中，高温煅烧过程在氮气保护下进行，高温煅烧过程中，温度为600-800℃，时间为1-3h。
9.一种聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料，其特征在于，该材料采用如权利要求1至8任一项所述的方法制备而成。
10.一种如权利要求9所述的聚氨酯基氮磷共掺杂碳材料在超级电容器中的应用。
技术总结