[發明專利]一種氟氮共摻雜碳納米球-碳納米片復合材料及其制備和應用

有效

• 申請號: 201910294688.1
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110010366B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 劉天西;高繼升;張超;劉志崇
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H01G11/36
• 分類號: H01G11/36;H01G11/44;H01G11/30;H01G11/24;C01B32/15
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所(普通合伙) 31233
• 代理人: 黃志達

本發明涉及一種氟氮共摻雜碳納米球?碳納米片復合材料及其制備和應用，本發明將聚苯胺凝膠納米球與共混鹽、氟化銨通過高溫碳化，即得。本發明制備方法簡單、比電容高、循環穩定性優異，測試表明：在1A/g的電流密度下，其比電容量達到了320F/g；電極可以在沒有比電容量損失的情況下循環高達5000次，性能非常穩定，本發明所制備的復合材料是一種理想的超級電容器的高性能電極材料。

技術領域

本發明屬于氟氮共摻雜材料及其制備和應用領域，特別涉及一種氟氮共摻雜碳納米球-碳納米片復合材料及其制備和應用。

背景技術

隨著科技的日益進步以及人口的持續增長，人類對資源的需求量也隨之增加，在傳統化石能源枯竭的形勢日益嚴峻的情況下，作為新能源領域的新型儲能元件，超級電容器走上了歷史舞臺。

碳材料是超級電容器最廣泛的一類電極材料，碳材料孔結構和比表面積的協同作用對電化學性能有重要影響，通常與孔隙率，孔體積，比表面積，微孔/介孔的含量比等參數成正比性。因此對具有大比表面積電極材料的選擇是增大超級電容器的比電容量的一種有效途徑，尋找合適的多孔材料成為了對碳材料結構設計的研究重點。

如CN108492996 A公開了一種氟、氮共摻雜的類石墨烯片層材料的制備方法，利用氨基葡萄糖鹽酸鹽和聚偏二氟乙烯高溫碳化制得類石墨烯片層材料。所制得的類石墨烯片層材料為二維結構，材料易堆積，在電容器應用中的性能較差。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種氟氮共摻雜碳納米球-碳納米片復合材料及其制備和應用，通過聚苯胺凝膠納米球制得碳納米球-碳納米片復合材料，使碳納米片均勻包覆在碳納米球表面，形成三維導電結構。本發明利用鹽模板法，將聚苯胺凝膠納米球與LiCl/KCl共熔鹽、氟化銨均勻混合，在惰性氣體氛圍中高溫碳化，最終得到結構穩定和化學功能性高的高比表面積的多孔碳材料。

本發明的一種氟氮共摻雜復合材料，其特征在于，按重量份數，由下列原料組份制備：苯胺1-3份、植酸2-5份、氯化鉀40-50份、氯化鋰40-50份、氟化氨1-3份、過硫酸銨4-7份。所述復合材料為碳納米球-碳納米片復合材料，聚苯胺凝膠納米球碳化后形成碳納米球，并且在LiCl/KCl共混鹽的作用下，碳納米球表面被催化形成了一層碳納米片，構成形成三維導電結構。。

本發明的一種氟氮共摻雜復合材料的制備方法，包括：

(1)將植酸、苯胺溶于水中，得到混合溶液；

(2)將上述混合溶液、過硫酸銨溶液冷卻后，混合，靜置，得到聚苯胺凝膠納米球，洗滌，干燥；

(3)將上述聚苯胺凝膠同氟化氨、共混鹽混合，研磨，升溫，并在惰氣氣氛中進行碳化，冷卻，酸洗，干燥，即得氟氮共摻雜復合材料；其中共混鹽為氯化鉀/氯化鋰共混鹽。

上述制備方法的優選方式如下：

所述步驟(1)中植酸、苯胺、水的比例為1-3mmol:5-15mmol:20-40mL。

所述步驟(2)中過硫酸銨溶液的濃度為0.2-0.3g/mL。

所述步驟(2)中冷卻至-4℃～4℃。

所述步驟(2)中洗滌，干燥為用去離子水清洗兩次，并在真空烘箱中干燥，其中干燥為：調節工藝參數為60℃，抽真空。

所述步驟(3)中凝膠、共混鹽、氟化銨的質量比例為1:20-70:0.3-3。

優選地，步驟(3)中凝膠、共混鹽、氟化銨的質量比例為1:50:1。

所述步驟(3)中研磨為在行星式球磨機中充分研磨。

所述步驟(3)中升溫，并在惰氣氣氛中進行碳化具體為：升溫速率為3-5℃/min，惰氣氣氛為高純度的氬氣，碳化溫度為600-800℃，保持2h。