[發明專利]一種氮、磷、氟共摻雜碳基混合電容材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710136476.1
• 申請日: 2017-03-08
• 公開（公告）號: CN106992076B
• 公開（公告）日: 2018-07-24
• 發明（設計）人: 程元徽;向中華;郭佳寧;李東明;張琪宇
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/86;H01G11/38
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張立改

一種氮、磷、氟共摻雜碳基混合電容材料的制備方法，屬于摻雜型多孔碳基電容材料技術領域。在無水無氧惰性環境中進行，將催化劑和2，2′?聯吡啶加入N,N’?二甲基甲酰胺中，再加入1，5?環辛二烯，加熱溶解；將氮源和氟源加入溶液中，加熱反應結束后，將反應物取出；向所得物料內滴加濃鹽酸，得到摻雜有絮狀沉淀的膠狀溶液；將物料過濾，清洗得到含N、F的材料，將含N、F的材料轉移到瓷舟中，高溫碳化，碳化溫度范圍為500?1000℃；將碳化后的含N、F的材料和P源進行高溫摻磷。合成條件溫和，實驗操作簡單，材料的比電容值高達250F g^?1，有效解決了傳統碳基超級電容器能量密度低和贗電容材料循環穩定性差的難題。

技術領域

發明屬于摻雜型多孔碳基電容材料技術領域，具體涉及一種利用含碳、氮、氟多孔材料作為前驅體，經兩步高溫碳化、氟化、氮化、磷化的方法合成同時具有雙電層電容和贗電容性能的混合型電容材料。

背景技術

超級電容器是一種介于電池與傳統電容器之間的新型儲能器件,具有循環壽命長，功率密度高、充放電速度快等優點,具有廣闊的應用前景。在電動汽車上，超級電容器與電池聯合能分別提供高功率和高能量,既減小了電源的體積又延長了電池的壽命。能量密度和功率密度是衡量超級電容器性能的主要指標，而電極材料的性質是決定電容器能量密度、功率密度等電化學性能的關鍵因素。近年來，隨著超級電容器應用領域的不斷拓展，超級電容器電極材料的研究已受到世界各國，尤其是發達國家的高度重視。

理想的電極材料應該具有較高的比電容、高倍率性能和循環穩定性。目前商用的超級電容材料多為活性炭，活性炭的比表面積大和孔隙結構可調，然后活性炭只具有雙電層電容，比電容依然較低(通常在120F g^-1左右)，從而導致超級電容的能量密度較低，因此開發具有優異性能的電極材料是超級電容器研究中最核心的課題。

贗電容電容器與雙電層電容器不同，當贗電容電極材料應用于電容器時，在電極材料表面發生快速的、可逆的法拉第反應氧化還原反應，使電荷在電極之間轉移，導致了法拉第電流在超級電容器體系中的傳遞。這些電化學法拉第過程不但能擴大超級電容器的電壓范圍，而且能提高超級電容器的比電容。贗電容材料能表現出比雙電層電容材料大得多的比電容和能量密度。然而，贗電容材料的功率密度往往小于雙電層電容材料，且贗電容材料的循環壽命較低，無法滿足使用需求。近年來研究人員發現碳材料表面的官能團表現出一定的贗電容性能，但開發同時兼具雙電層電容和贗電容性能的碳材料依然面臨著很大的挑戰。

發明內容

本發明通過簡單的方法合成了一種氮、磷、氟共摻雜多孔碳材料，該材料不但具有雙電層電容性能，還具有贗電容性能，同時具有較高的循環壽命，解決了傳統碳基超級電容器能量密度低和贗電容材料循環穩定性差的難題。

本發明是通過以下方式實現的：

步驟1)制備含N、F的材料

反應物料的配置在無水無氧惰性環境(手套箱)中進行，將催化劑雙(1，5-環辛二烯)鎳和2，2′-聯吡啶加入N,N’-二甲基甲酰胺中，再加入1，5-環辛二烯，加熱攪拌，使之完全溶解；之后將氮源和氟源加入溶液中，加熱反應，反應結束后，將反應物取出；催化劑和單體(單體指的是2，2′-聯吡啶、1，5-環辛二烯、氮源和氟源)的摩爾比范圍為2-6:1，優選4-6:1，更優選5.2:1；單體中氮源和氟源用量摩爾比范圍0.5-2:1，其中優選0.8-1.5：1，更優選1:1；反應加熱溫度為65-120℃，優選75-100℃，更優選85℃。反應時間范圍為7-20小時，優選8-12小時，更優選10小時；

之后向所得物料內滴加濃鹽酸，不斷搖晃，至溶液變為摻雜有絮狀沉淀的膠狀溶液；將物料倒入抽濾瓶過濾，并先后用氯仿、四氫呋喃和去離子水清洗，所得的產物，放入真空干燥箱下干燥；真空干燥溫度范圍60-150℃，優選80-120℃，更優選100℃。干燥時間8-24小時，優選10-15小時，更優選12小時。