N、P共掺杂多孔炭纤维的制备及电容性能研究

曲玉宁 刘林 熊媛媛（天津工业大学化学与化工学院，天津300387）

0 引言

超级电容器因其具有功率密度高、能量密度高、循环寿命长、环保无污染等优点，在电化学储能领域拥有广阔的应用前景以及商业价值。电容器的核心是电极材料，主要以碳材料为主，包括活性炭、石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、碳气凝胶等。近年来，生物质基碳材料因为其材料环境友好，来源广等引起了人们的广泛关注[1]。

为了提高多孔炭材料的导电性和润湿性，常常采用杂原子共掺杂的方式，杂原子掺杂到碳材料中后，常常会引起表面电子结构发生变化，能有效提高碳材料的电化学性能，常见的共掺杂的杂原子有N、P、S、B 等。利用双原子或多原子能够产生双官能团或双原子的协同作用，显著提高材料的导电性，达到使赝电容增强的目的。Liu 等[2]以生物质香蒲叶为原材料制备N、P 共掺杂的多孔碳材料，比电容达到257 F/g，能量密度为19 Wh/kg。Xu等[3]以柚子皮为原材料制备N,P共掺杂含有大量介孔和微孔的碳材料，结果显示比电容高，内阻低，性能良好，主要是因为两种杂原子掺杂使材料内部产生大量的介孔和微孔，增加比表面积和离子接触位点，使得离子能更有效地传输。

文章以磷酸二氢铵处理过的棉花为碳源和前驱体，氢氧化钾作活化剂，通过两步炭化法制备超级电容器的碳极材料。所得电极材料在电解质中表现出良好的储能性能，该方法为从生物质中制备N、P共掺杂的多孔碳纤维提供了新方法，在储能和吸附领域有良好的应用前景。

1 实验部分

称取棉花和磷酸二氢铵，质量比为1：2，溶于50mL 去离子水中，浸泡24 h 之后烘干。在管式炉里N2气氛下800 ℃反应1.5 h，待样品冷却至室温后，浸泡在2M 的盐酸溶液6 h，然后洗至中性烘干，即制备N,P 共掺杂的碳纤维，样品命名为N,P-CF-1：2。N,P-CF-1：2与2M 的KOH 以1：4、1：5、1：6、1：7的质量比进行混合，浸泡24h 后烘干然后在马弗炉中N2气氛下800℃的反应1.5 h，冷却至室温后2M 的盐酸充分浸泡，洗至中心烘干，即得N,P 共掺杂的多孔炭纤维，样品命名N,P-CF-1：2-K（K 代表的是KOH 和第一步炭化的样品的质量）。

2 结果与讨论

图1 N,P-CF-1:2-5 的CV曲线

图2 N,P-CF-1:2-5的充放电曲线

图1 a、b、c、d分别为N,P-CF-1：2-K 与KOH 的质量比分别为1：4、1：5、1：6、1：7、时电极材料的循环伏安曲线，从图中可以看出，该电极材料都能保持比较对称的矩形形状，随着扫描速率从5mv/s增加到500 mv/s，电极材料都没有出现明显的氧化还原峰，这充分说明这类电极在不同的扫描速率下，电容性能比较优异。并且，在扫描速率高达500mv/s时，仍能发现具有对称的矩形形状，证明了其优异的双电层性能，在高扫速下仍然具有良好的离子传输能力，能够在较短的时间内，确保离子能够传输到达样品的微观结构中。

图2 a、b、c、d分别是样品N,P-CF-1：2-K 与KOH 质量比为1：4、1：5、1：6、1：7 时电极材料的充放电图像，可以看出，该曲线呈现很明显的三角形形状，上升部分表示充电过程，电压随着时间的增加而增大；而后半段为放电部分，电压随着时间的增加而减小，充分说明孩材料是典型的双电层电容，具有良好的可逆性能。在相同的电流密度下，N,PCF-1：2-5 在1A/g 时的比电容最大，为511.2 F/g，证明该条件下的电极材料拥有有最优的性能。

3 结语

本实验以棉花为原料，通过磷酸二氢铵碳化以及KOH 活化制备出了N,P 掺杂多孔碳材料。实验结果表明通过CV 和CP 电化学测试，随着N 和P 掺杂的含量的提高，比电容随之增大，N,P-CF-1：2-5 在电流密度为1A/g时的比电容最大，为511.2 F/g，说明N,P掺杂中空碳纤维作为超级电容器的电极材料有其卓越的电容性能。

为本项目的完成，特向天津工业大学大学生创新创业训练计划项目致谢！