利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法及其应用

本发明涉及炭材料制备与储能，尤其涉及利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法及其应用。

背景技术：

1、废机油的处理一直是各个国家非常重视的问题，目前普遍采用酸处理法、溶剂精制法、加氢处理法、分子蒸馏法、膜处理法等对废机油进行回收再生利用，但由于成本高、技术难度大及二次污染等问题我国国内还没有全面展开。因此，如何拓宽废机油的回收再利用的范围是本领域亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法及其应用，以废机油为碳前驱体，8-羟基喹啉锌为模板，偏硼酸钾为活化剂，经高温活化过程制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳，作为电极材料，显示了优异的锌离子存储性能。

2、本发明提出的利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法，方法步骤如下：

3、s1：反应前驱物的制备

4、将8-羟基喹啉锌与偏硼酸钾研磨、混合，然后加入到废机油中混合均匀，得到制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的反应前驱物；

5、s2：氮磷硫硼掺杂叠片状碳的制备

6、将s1得到的反应前驱物在惰性气体的保护下加热反应，反应后经酸洗、干燥和研磨，得到氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

7、优选地，s1中废机油、8-羟基喹啉锌和偏硼酸钾的质量比为1:1-3:3-7。

8、优选地，s1中惰性气体为氩气，氩气的初始流速为30ml/min，所通的时间为30min，加热过程中的流速为5-15ml/min。

9、优选地，s2中反应温度为900-1100℃，加热升温速率为4-6℃/min，反应时间为0.5-2h。

10、优选地，s2中的酸洗采用0.5-2mol/l的硫酸溶液酸洗10-14h。

11、本发明提出的上述方法制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

12、本发明提出的电极材料，包含上述氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

13、优选地，该电极材料制备的方法步骤如下：将氮磷硫硼掺杂叠片状碳与粘结剂按1:8-10的质量比混合，经压制成膜、切片和干燥得到电极材料。

14、本发明提出的锌离子混合电容器，包含上述电极材料。

15、优选地，该锌离子混合电容器包括作为负极的锌箔、作为正极的包含氮磷硫硼掺杂叠片状碳的电极材料、作为电解液的zn(cf3so3)2溶液和作为隔膜的纸纤维。

16、作用机理

17、氮磷硫硼掺杂叠片状碳是在模板限域空间内，耦合偏硼酸钾的原位活化剪裁策略制备的，废机油不仅作为碳前驱体，而且作为硫源和磷源，8-羟基喹啉锌作为模板和掺氮剂。在反应过程中，偏硼酸钾分解产生的钾盐与碳基质反应，产生气体对碳基体进行物理活化。具体的机理如下：首先，在乙醇的溶剂作用下，废机油转变为流动态，与8-羟基喹啉锌和偏硼酸钾固体均匀混合，静置一段时间后，乙醇挥发，得到碳前驱反应物。随着温度升高，废机油中的小分子挥发，接着大分子在8-羟基喹啉锌模板表面进行聚合、碳化。随着温度的进一步升高，偏硼酸钾分解产生钾盐，与碳基质进行反应产生碳酸钾，并发生分解或与碳发生反应，产生二氧化碳；产生的二氧化碳又与碳基质发生反应，产生一氧化碳，同时8-羟基喹啉锌在反应过程中产生的氮的化合物，这些气体会对碳基质进行物理活化，协助钾盐的化学活化作用，进而产生分级孔，为电解液离子的吸附和传输提供大量的吸附位点和通道。此外，废机油中磷与硫化合物进行聚合，通过自掺杂引入磷与硫元素，同时氮的化合物与硼的化合物与碳基质发生反应，取代部分碳原子，引入氮、磷、硫、硼杂原子，产生缺陷位点，为电子的快速传输提供高速道路，并产生额外的容量。最后，经过酸洗、干燥等步骤获得了氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

18、本发明的有益技术效果

19、(1)本发明以废机油为碳前驱体，采用原位掺杂策略制备得到氮磷硫硼掺杂叠片状碳，工艺简单，易于扩大生产，既减少了对环境的污染，又缓解我国石油短缺的矛盾，实现变废为宝，创造出可观的经济效益。

20、(2)本发明以化工原料8-羟基喹啉锌为模板和掺氮剂，代替昂贵的金属氧化物模板，降低了制备成本。

21、(3)本发明所制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳材料具有高的比表面积，为2106.8m2/g。

22、(4)本发明所制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳，作为锌离子混合电容器的正极材料时，在3mol/lzn(cf3so3)2水系电解液中，电流密度为0.1a/g时，其容量为163.5mah/g，能量密度高为147.2wh/kg；电流密度为20a/g时，其容量达109.1mah/g，能量密度仍高达72.1wh/kg；在3a/g电流密度下，经过10,000次循环后容量保持率为99.3％，显示了高的能量密度和好的倍率性能及其极好的循环寿命

技术特征：

1.一种利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法，其特征在于，方法步骤如下：

2.根据权利要求1所述的利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法:，其特征在于，s1中废机油、8-羟基喹啉锌和偏硼酸钾的质量比为1:1-3:3-7。

3.根据权利要求1所述的利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法，其特征在于，s1中惰性气体为氩气，氩气的初始流速为30ml/min，所通的时间为30min，加热过程中的流速为5-15ml/min。

4.根据权利要求1所述的利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法，其特征在于，s2中反应温度为900-1100℃，加热升温速率为4-6℃/min，反应时间为0.5-2h。

5.根据权利要求1所述的利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法，其特征在于，s2中的酸洗采用0.5-2mol/l的硫酸溶液酸洗10-14h。

6.如权利要求1-5任一项所述方法制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

7.一种电极材料，其特征在于，包含如权利要求6所述的氮磷硫硼掺杂叠片状碳。

8.根据权利要求7所述的电极材料，其特征在于，该电极材料制备的方法步骤如下：将氮磷硫硼掺杂叠片状碳与粘结剂按1:8-10的质量比混合，经压制成膜、切片和干燥得到电极材料。

9.一种锌离子混合电容器，其特征在于，包含如权利要求7或8所述的电极材料。

10.根据权利要求9所述的锌离子混合电容器，其特征在于，该锌离子混合电容器包括作为负极的锌箔、作为正极的包含氮磷硫硼掺杂叠片状碳的电极材料、作为电解液的zn(cf3so3)2溶液和作为隔膜的纸纤维。

技术总结
本发明公开了利用废机油制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的方法及其应用，具体制备过程如下：先将8‑羟基喹啉锌与偏硼酸钾按照一定的质量比研磨、混合，然后加入到废机油中，滴加适量溶剂，使其混合均匀，得到制备氮磷硫硼掺杂叠片状碳的反应前驱物；然后在惰性气体保护下加热至反应终温，保持一段时间后，冷却至室温，经水洗、干燥等得到氮磷硫硼掺杂叠片状碳。本发明制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳的比表面积为2106.8m<supgt;2</supgt;/g，氮、磷、硫和硼杂原子的引入，提高了材料的电子传导性能，增加了离子吸附的缺陷位点；将废机油作为碳源制备碳材料，可以提高其附加值利用。本发明制备的氮磷硫硼掺杂叠片状碳作为为组装的锌离子混合电容器展现了优异的锌离子存储性能。

技术研发人员：魏风,刘青云,孙开莲
受保护的技术使用者：滁州学院
技术研发日：
技术公布日：2024/8/16