[發(fā)明專利]一種二元磷碳化合物及其合成方法與應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010899358.8
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112028048B
• 公開（公告）日: 2022-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔣凱;顏杰;王康麗;李浩秒
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: C01B32/00
• 分類號: C01B32/00;H01L35/14;H01L35/22;H01M4/36;B01J27/14
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 陳燦;李智

本發(fā)明屬于磷碳新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二元磷碳化合物及其合成方法與應(yīng)用，合成方法包括以下步驟：(1)將磷源與含苯環(huán)的碳源在混合裝置中混合均勻，所述混合裝置一端與載氣儲存裝置連通，另一端與反應(yīng)器連通；(2)開啟載氣儲存裝置，通過鼓泡法將磷源與碳源變成氣體帶入反應(yīng)器中，啟動反應(yīng)器進行脫鹵化氫反應(yīng)，生成二元磷碳化合物；(3)反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)器冷卻收集黑色產(chǎn)物。本發(fā)明使用液態(tài)碳源和磷源構(gòu)筑的一個無氧反應(yīng)體系，在PCl₃的脫氯化氫作用下，SP²苯環(huán)結(jié)構(gòu)單元可以相互連接成碳帶，實現(xiàn)了塊體磷碳化合物的合成。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磷碳新材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二元磷碳化合物及其合成方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

二元磷碳化合物在近年來得到了較大關(guān)注，主要源于其可能實現(xiàn)石墨烯和磷烯的優(yōu)勢互補。磷烯是磷原子以SP³雜化形成的具有褶皺六邊形結(jié)構(gòu)的二維納米材料，具有極高的理論容量、極低的擴散勢壘以及層層間較弱的范德華力，在儲能領(lǐng)域具有重要的研究價值。但是由于P-P鍵較弱且P外電荷層具有孤電子對，磷烯暴露于空氣中時極易吸潮與氧化，同時在循環(huán)過程中結(jié)構(gòu)也易崩塌，因此實際應(yīng)用受到極大限制。而石墨烯具有超穩(wěn)定的SP²碳平面結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的電子導(dǎo)電性和載流子遷移率，但是與堿金屬的結(jié)合能弱，不利于堿金屬離子的吸附，因而容量很低。可以看出，磷烯和石墨烯具有完美互補性。因此，通過C取代一部分P原子形成具有周期性磷碳結(jié)構(gòu)的磷碳化合物，有望可以大幅提高材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)帶隙與表面電子特性。

事實上，理論預(yù)測了一系列二元磷碳化合物(如α-PC、β-PC、PC₃和P₃C)的存在。由于強鍵合P-C鍵的存在，理論上這些磷碳化合物都具有極高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，同時也表現(xiàn)出較窄的帶隙甚至是金屬性，即具有良好的電子導(dǎo)電性。這些特性對于電極材料來說是非常重要的。更進一步的，二元磷碳化合物在堿金屬離子電池領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的研究價值，比如磷碳化合物具有高的理論容量，對堿金屬較強的吸附能以及較小的堿金屬擴散勢壘。因此，二元磷碳化合物是較為理想的堿金屬電池負極材料。

但是迄今為止，實驗上依然僅有少量薄膜材料的合成，而尚無塊體材料的制備，嚴重阻礙其實際應(yīng)用。二元磷碳化合物合成困難主要是由以下兩方面所造成的：一是合成條件苛刻，需要無氧體系，這就限制了目前絕大多數(shù)已經(jīng)報道的磷源和碳源基本都不可用；二是P-C鍵結(jié)合能高，需要高反應(yīng)能，而在此條件下C-C鍵和P-C鍵的生長存在競爭關(guān)系，且易形成碳結(jié)構(gòu)。因此，合成二元磷碳化合物的關(guān)鍵在于構(gòu)筑一個無氧體系，且能適當抑制碳結(jié)構(gòu)的生長，而加強P-C鍵的形成過程。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)仍缺少一種成熟的二元磷碳化合物合成方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有磷碳化合物合成技術(shù)無法制備塊體材料的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種二元磷碳化合物的合成方法，創(chuàng)造性的選用易蒸發(fā)同時具有很好混溶性的液態(tài)烴類碳源和無氧磷源，而且碳源通過引入穩(wěn)定的C6苯環(huán)，限制C的活性，構(gòu)筑了一個無氧的、有利于P-C結(jié)構(gòu)生長的磷碳化合物合成體系。本發(fā)明的詳細技術(shù)方法如下所述。

一種二元磷碳化合物的合成方法，包括以下步驟：

(1)將磷源與含苯環(huán)的碳源在混合裝置中混合均勻，所述混合裝置一端與載氣儲存裝置連通，另一端與反應(yīng)器連通；

(2)開啟所述載氣儲存裝置釋放載氣，通過鼓泡法將磷源與碳源變成氣體帶入反應(yīng)器中，啟動反應(yīng)器進行脫鹵化氫反應(yīng)，生成二元磷碳化合物；

(3)反應(yīng)結(jié)束后，待反應(yīng)器冷卻收集黑色產(chǎn)物，即可獲得二元磷碳化合物。

作為優(yōu)選，所述碳源的沸點為20℃以上。

作為優(yōu)選，所述碳源包括但不僅限于苯、甲苯、對二甲苯、萘、聯(lián)苯、三甲苯、四甲苯、五甲苯、六甲苯中的一種或多種的混合。

作為優(yōu)選，所述磷源的沸點為20-200℃。