氮磷硫共掺杂生物质基多孔炭的制备及其电化学性能

为了提升农林废弃物在储能领域的高附加值利用,该研究以杉木屑为原料,磷酸三聚氰胺为磷、氮源,基于冷冻NaOH/硫脲体系溶解木质原料中纤维素,通过一步热解制备氮、磷、硫共掺杂多孔炭,并考察活化温度、NaOH/杉木屑质量比和冷冻条件对多孔炭结构及电化学性能的影响。通过X射线光电子能谱(XPS,X-ray photoelectron spectroscop)和比表面积分析仪(BET,Brunauer-Emmett-Teller)研究多孔炭的表面结构和孔隙结构;采用循环伏安(CV,cyclic voltammetry)、恒流充放电(GCD,galvanostatic charge/discharge)和交流阻抗(EIS,electrochemical impedance spectroscopy)等测试手段表征其电化学性能。结果表明:随着活化温度和NaOH/杉木屑质量比的增加,多孔炭的表面积、全孔孔容和比电容呈现先增加后减小的趋势;冷冻条件和磷酸三聚氰胺的加入可以增加多孔炭的比表面积和全孔孔容,提升电化学性能。当活化温度900℃,NaOH/杉木屑质量比为1.2时,制备的氮、磷、硫共掺杂多孔炭的比表面积为2048 m^(2)/g,全孔孔容为1.655 cm3/g,介孔率为99.7%,氮、磷、硫的含量为3.41%、0.29%、1.40%。三电极体系下、6 mol/L KOH电解液中,当电流密度0.5 A/g时,比电容可达261 F/g。用NPS-900-1.2组装的对称超级电容器5 A/g电流密度条件下,比电容值为108 F/g,循环5000次后库伦效率接近100%,电容保持率为92%。对称的超级电容器功率密度为248 W/kg时,能量密度可达17.2 Wh/kg。该研究为农林废弃物制备高性能超级电容器提供了参考依据。