[發明專利]一種雜原子改性氟化碳量子點及其制備方法

有效

• 申請號: 201711277400.7
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN109888283B
• 公開（公告）日: 2021-07-06
• 發明（設計）人: 郭德才;陳劍
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M4/583
• 分類號: H01M4/583;H01M4/36;H01M6/14;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發明涉及一種制備高比容量、低維度氟化碳材料—氟化碳量子點的制備方法。利用溶液化學法，結合微波輔助的方式，將有機小分子進行聚合，經過炭化和石墨化處理，獲得雜原子改性的炭量子點材料，經過精準可控的氟化技術，制備得到雜原子改性的氟化碳量子點材料。

技術領域

本發明屬于新型氟化碳材料制備及其電池應用領域，具體涉及一種雜原子摻雜氟化碳量子點材料及其制備方法。

背景技術

傳統氟化碳是一種由碳、氟兩種元素組成的共價型層間化合物，其化學式為(CFx)n。其傳統制備方法為由石墨與氟氣或含氟物質進行氟化反應，制備得到氟化石墨。氟化碳材料可以作為鋰一次電池的正極材料，與金屬鋰負極組合成為鋰氟化碳電池。鋰氟化碳電池具有一次電池最高的理論比能量約2180Wh/kg。傳統方法制備的氟化碳材料即氟化石墨材料，由于材料的顆粒尺寸和孔徑結構等受限域氟化前驅體石墨的影響和制約，氟化碳材料放電很難達到其理論比容量。其次，由于石墨晶格完整，較難進行氟化，制備的氟化碳材料的結構很難突破其氟碳比等于1的限制。F與C的鍵合方式可以分為共價鍵和離子鍵，通常在炭前驅體的晶格缺陷位置以及其結構不均一位點處，可以形成更多的F-C鍵或者獲得更多離子態的F-C鍵，因此我們通過對氟化前驅體的結構設計，經過精準可控氟化技術，即采用研發制備的雜原子參雜炭量子點為氟化前驅體，利用氣相氟化技術，獲得更高F/C以及含有更多離子態F-C鍵的氟化碳量子點材料。利用這種工藝有效提高氟化碳材料的放電比容量和比能量。通過電池工藝的開發制備出具有高比能量的氟化碳電池。

氟化碳材料的結構和性質，極大地影響鋰氟化碳電池的電化學性能。原材料的結構和性質，如石墨化程度、材料的維數等，以及氟化工藝是影響氟化碳性能的關鍵因素。近年來，對氟化碳在電池領域的應用研究主要集中在材料改性方面，如通過控制氟化的條件、采用表面包覆技術以及控制熱裂解等技術，在不改變氟化碳材料自身結構的前提下提高碳的含量，提高材料的導電性，進而提高電池的功率密度。但是，上述改性并未顯著改變氟化碳材料的結構，不能提高鋰離子在氟化碳材料層間的固相擴散速率，因此對氟化碳材料的放電倍率性能的提高幫助有限。

對氟化的前驅體進行結構設計，可以有效調控制備的氟化碳材料的結構，進而調控氟化碳材料的電化學性能。當炭的結構維度減小到零維或準零維尺寸時，炭材料具有更多的邊緣不飽和位置，在氟化過程中可以與更多的F進行化學鍵合，形成更多的F-C鍵，因而可以有效提高F/C，獲得高比容量的氟化碳材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種雜原子摻雜氟化碳量子點及其制備方法。

為了達到上述目的，本發明采用如下技術方案：采用研制的5～20nm的雜原子摻雜炭量子點材料為氟化前驅體，利用含氟化合物對其進行一定溫度和壓力下的氟化處理，樣品經純化后處理，得到雜原子改性氟化碳量子點材料。

一種雜原子摻雜氟化碳量子點及其制備方法，該制備方法步驟如下：采用有機小分子單體為反應前驅體，利用可控的溶液化學法，結合微波輔助作用，經過石墨化處理，制備高結晶度的碳量子點。再經過可控的氟化技術，制備雜原子改性的氟化碳量子點。

制備方法中，所使用的有機小分子物質為葡萄糖、檸檬酸、聚亞苯基前驅體、苯胺、吡咯、乙烯基苯硼酸等中的一種或幾種混合物。有機小分子反應物的質量百分濃度為10～0.5mg/ml。

制備方法中，溶液化學法所采用的反應體系溶劑為乙醇和水的混合溶液，水：乙醇＝1:1～5。在溶液化學反應體系中添加磷酸、硼酸或三氯化鐵等中的一種或兩種，添加量與有機小分子反應物的質量比為1:100～200。

制備方法中，反應體系中采用微波輔助聚合，微波功率為50～600w，輔助合成為間歇性輔助合成，每次微波時間為3min，間隔時間為5min，總合成反應時間為1～6h。

制備方法中，石墨化處理的溫度為600～1200℃，石墨化處理時間為2～4h。