[發(fā)明專利]一種用于超級電容器的摻雜型碳材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510317135.5
• 申請日: 2015-06-10
• 公開（公告）號: CN104900423B
• 公開（公告）日: 2017-10-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫曉明;張國新;周康;徐若雨
• 申請（專利權(quán)）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01G11/86
• 分類號: H01G11/86;H01G11/34;H01G11/44
• 代理公司: 北京權(quán)泰知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11460
• 代理人: 任永利

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于摻雜型碳材料的制備方法領(lǐng)域，具體涉及一種基于廉價工業(yè)原料聚偏二氯乙烯制備的用于超級電容器的摻雜型碳材料的制備方法。

背景技術(shù)

超級電容器是一種新興的綠色儲能裝置，相對于傳統(tǒng)鋰電儲能裝置而言，其具有功率密度高、充電時間短、循環(huán)壽命長等優(yōu)勢，應(yīng)用前景廣闊。超級電容器的核心是電容器電極材料，常用的電容器電極材料包括碳材料、金屬(氫)氧化物等。其中碳材料因其原料來源廣泛、理化性能穩(wěn)定及良好的充放電性能而倍受關(guān)注。可用于電容器的碳材料有碳納米管、石墨烯、活性炭、碳纖維、碳氣溶膠等。其中活性炭包羅廣泛，其中合成多孔碳就屬于活性炭的一種，其合成策略與活性炭的合成策略一致，即使用碳源在活化劑的作用下，完成造孔、碳化及石墨化過程。但合成碳與普通意義的活性炭有明顯區(qū)別，因為合成碳擁有三維連續(xù)的多級孔結(jié)構(gòu)且孔道的壁較薄，故此，合成碳吸引了眾多研究者的目光。

對于合成碳，碳源及反應(yīng)方式的選擇至關(guān)重要，可以決定終產(chǎn)物的形貌、理化性能及最終的電容性能。以往的碳源多集中在生物質(zhì)(例如CN201410417487、CN201410303083)或碳水化合物(例如CN201410190621、CN201310713624、CN201110290185)，這些碳源具有來源廣泛、成本低廉的優(yōu)勢，但制備過程可塑性差、重復性有限；同時，該類碳源豐富的官能度會造成大量的廢氣(例如一氧化碳、二氧化碳等)排放，不符合當今環(huán)境保護的迫切要求。研究表明(例如CN201310140338)，工業(yè)原料聚偏二氯乙烯是一種非常有潛力的碳源，它可以在碳化鈣的作用下，完成完全的去官能化，進而得到含碳量非常高的碳材料。

本發(fā)明則提供了一種基于廉價工業(yè)原料聚偏二氯乙烯制備的用于超級電容器的摻雜型碳材料的制備方法。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)，所有具有強堿性的物質(zhì)(例如氫氧化鉀)，均可以對聚偏二氯乙烯形成有效的脫氯。該過程中，脫除掉氯元素的碳鏈具有極高的反應(yīng)性，可以在這個過程中，有目的性地加入摻雜劑，即可得到摻雜型碳材料。同時，過量的強堿還可以原位地對所制備的碳材料進行活化，滿足對大量微孔的需求。所產(chǎn)生的副產(chǎn)物為堿(土)金屬氯化鹽，均為水溶性鹽，處理容易，且副產(chǎn)物中有較少的廢氣產(chǎn)生，滿足對擴大生產(chǎn)的環(huán)境友好的要求。

本發(fā)明同時發(fā)現(xiàn)，聚偏二氯乙烯經(jīng)歷脫氯化、雜原子摻雜、高溫石墨化及活化造孔，得到具有豐富的多級孔結(jié)構(gòu)的摻雜型碳材料。將該類碳材料作為超級電容器的電極材料，發(fā)現(xiàn)其具有非常好的電容性能，即高容量、高倍率特性和高穩(wěn)定性。結(jié)合其工業(yè)原料來源廣泛且價廉、制備過程簡單，該類摻雜型碳材料有望成為具有較大應(yīng)用價值的超級電容器用碳材料。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于廉價工業(yè)原料聚偏二氯乙烯制備的用于超級電容器的摻雜型碳材料的制備方法。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

一種摻雜型碳材料的制備方法，其包括以下步驟：

將聚偏二氯乙烯、強堿與強極性溶劑混合得到混合物，然后對該混合物進行研磨，研磨結(jié)束之后，將研磨后的混合物在惰性氣體中焙燒，然后進行清洗和干燥，即得到所述摻雜型碳材料；

其中所述強堿為堿(土)金屬氫氧化物、堿(土)金屬氧化物、氧化鋅、堿(土)金屬氨基化物、堿(土)金屬硫化物、堿(土)金屬氮化物或堿(土)金屬醇鹽；

其中所述強極性溶劑為氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺、二甲基亞砜或氮甲基吡咯烷酮。

其中所述雜原子是指除碳原子之外的非金屬元素的原子，例如氧原子、硫原子、氮原子、硼原子、磷原子，等等。

其中，在所述混合物中所溶解的聚偏二氯乙烯的濃度在保證該混合物機械混合的可進行性的前提下，可在較大范圍內(nèi)變化。其中，所述惰性氣體可以選擇氬氣、氮氣等惰性氣體。焙燒產(chǎn)物可以使用去離子水清洗2-3次，50-100℃干燥之后，即得到所述摻雜型碳材料，作為超級電容器電極材料使用。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，在研磨前還向所述混合物中加入雜原子摻雜劑，其中所述雜原子摻雜劑選自三聚氰胺、乙二胺、硫脲、硫代乙酰胺、硼酸、硼烷氨或三苯基膦。其中所述雜原子摻雜劑可以為多種含有非金屬元素的小分子有機物。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述強堿為氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鋰、乙醇鈉、硫化鈉、氨基鈉或氮化鋰。

在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，所述強堿的摩爾量足以將所述聚偏二氯乙烯中的氯原子基本完全脫除。基本完全脫除是指強堿中的陽離子的量足以與聚偏二氯乙烯中的氯原子成為金屬氯化物正鹽。