CN106997810A - 一种氮、磷、氯共掺杂碳材料、其制备方法及用途 - Google Patents
一种氮、磷、氯共掺杂碳材料、其制备方法及用途 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料、其制备方法及用途。所述氮、磷、氯共掺杂碳材料通过以下步骤制备：S1：将卤代共轭二烯、磷源和芳杂烃混合，于高压、密闭条件下反应，得到第一产物；S2：对所述第一产物进行冷却、洗涤、干燥，得到第二产物；S3：将所述第二产物在惰性气氛中进行高温处理，得到氮、磷、氯共掺杂碳材料。本发明的氮、磷、氯共掺杂碳材料具有优良的电学性能，可用于超级电容器领域。
Description
技术领域
本发明属于无机功能材料领域，尤其涉及一种氮、磷、氯共掺杂碳材料、其制备方法及用途。
背景技术
超级电容器是一种新型、高效、实用的能量储存装置，具有大容量、高功率、长寿命、成本低廉、环境友好等优越的性能，是能量储存领域的一项革命性发展，并可在某些领域取代传统蓄电池、发挥电池不能发挥的优势，随着十三五国家对新能源方向的重视和投入以及政策支持，超级电容器有比以往更好的发展空间。
资源丰富、结构多样、成本适中的碳材料是目前应用最广的超级电容器电极材料。但还存在能量密度特别是体积能量密度偏低等缺陷，这极大地限制了超级电容器的大规模商业化应用。
目前，利用杂原子(氮、硼、磷、氟、氧、硫等)掺杂到碳材料中，不仅能有效的提高材料的体积能量密度，而且还能保持良好的稳定性和较高的功率密度。
近日，F.Q.Huang等人(Nitrogen-doped mesoporous carbon of extraordinarycapacitance for electrochemical energy storage,Science,2015,350,1508.)利用介孔二氧化硅为模板，制备合成了氮掺杂的介孔碳，该材料比电容为855F g-1，能量密度达到19.5Wh L-1，但其合成困难，不能大批量制备。
J.S.Zhou等人(Ultrahigh volumetric capacitance and cyclic stability offluorine and nitrogen co-doped carbon microspheres,Nat.Commun.,2015,6,8503)通过水热法合成了氮氟共掺杂的碳微球，该碳微球拥有优异的体积容量(521F cm-3)，循环10000圈后容量不衰减，但是大电流下，比电容还是不理想。
Q.H.Yang等人(A Metal-Free Supercapacitor Electrode Material with aRecord High Volumetric Capacitance over 800F cm-3,Adv.Mater.2015,27,8082.)利用石墨烯和聚苯胺进行复合，制备了高密度氮掺杂的碳材料，其体积比电容达到800F cm-3,并且具有很好的稳定性。
如上所述，现有技术中公开了各种通过杂原子掺杂制备高体积能量密度碳材料的方法，并且由此得到了多种具有高性能的新型碳材料，但这些碳材料，在高倍率条件下通常会发生迅速衰减，此外这些合成方法还存在成本高、宏量制备困难，这严重限制了其实际的应用和工业化生产。
因此，基于目前超级电容器的缺陷以及改进方式，如何利用新的合成方法，在保持高功率密度、长寿命的前提下获得高体积能量密度的碳材料，应用于超级电容器领域，具有十分重要的意义，也是目前电化学能量领域的研究热点和重点，而这也正是本发明得以完成的基础所在和动力所倚。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料及其制备方法，该材料具有优良的电学性能，可用于超级电容器领域。
本发明的另一个目的在于提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料的用途。
本发明的另一个目的在于提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料的电容器电极及其制备方法。
为达到以上目的，本发明涉及如下多个方面。
第一个方面，本发明提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：
S1：将卤代共轭二烯、磷源和芳杂烃混合，于高压、密闭条件下反应，得到第一产物；
S2：对所述第一产物进行冷却、洗涤、干燥，得到第二产物；
S3：将所述第二产物在惰性气氛中进行高温处理，得到氮、磷、氯共掺杂碳材料。
优选地，步骤S1中反应压力为1～5MPa，反应温度为140～260℃，密闭反应的时间为2～10小时。更优选地，反应温度为200℃。
优选地，步骤S1中，卤代共轭二烯为六氯-1,3-丁二烯。
优选地，所述磷源单质磷、有机磷化合物或无机磷化合物。更优选地，所述磷源为有机磷化合物。
优选地，在步骤S1中，所述六氯-1,3-丁二烯与所述磷源的质量比为1：(1～3)。
所述芳杂烃为含有杂原子的芳烃，优选地，所述芳杂烃为吡啶、吡咯、噻吩、呋喃、苯胺中的一种或几种。
优选地，在步骤S1中，所述六氯-1,3-丁二烯与芳杂烃的摩尔比为30：(0.01～1)。
优选地，步骤S2中，所得的产物用去离子水洗涤2～4次，然后于60～100℃下真空干燥8～12小时。
优选地，步骤S3中，将所述第一产物于600～1000℃的高温下处理1～3小时。更优选地，高温处理温度为900℃。
优选地，步骤S3中，所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛。
第二个方面，本发明还提供一种通过上述方法制得的氮、磷、氯共掺杂碳材料。
第三个方面，本发明还提供一种氮、磷、氯共掺杂碳材料在电容器领域的应用。
第四个方面，本发明还提供一种包含所述氮、磷、氯共掺杂碳材料的电容器电极。
第五个方面，本发明还提供一种包含所述氮、磷、氯共掺杂碳材料的电容器电极的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)称取氮、磷、氯共掺杂碳材料，乙炔黑和PTFE(聚四氟乙烯)乳液，加入适量乙醇，混合均匀，不断搅拌成浆糊状时，涂到泡沫镍和不锈钢网上；
(2)将涂好氮、磷、氯共掺杂的碳材料的泡沫镍和不锈钢网进行干燥、烘干、压片，得到所述电容器电极。
值得一提的是，所述PTFE(聚四氟乙烯)乳液是电极制备领域常用的公知原料，可通过多种渠道而商业获得。所加入的乙醇的用量并没有特别的限定，其用量属于电容器领域的常规技术，本领域技术人员可进行合适的选择，在此不一一赘述。
附图说明
图1a是实施例1获得产物的扫描电镜图(SEM)、图1b是实施例1获得产物的透射电镜图(TEM)、图1c是实施例1获得产物的高倍透射电镜图(HRTEM)、图1d是实施例1获得产物的透射电镜中能谱(EDS)。
图2是实施例1获得产物的XRD图。
图3是实施例1获得产物的XPS图。
图4a和4b是利用实施例1得到的产物制备的电容器电极在不同扫描速率下的循环伏安图。
图5a和5b是利用实施例1得到的产物制备的电容器电极在不同电流密度下的恒流充放电图。
图6a和6b是利用实施例1得到的产物制备的对称电容器电极在不同电流密度下的Ragone图。
图7是利用实施例1得到的产物制备的电容器电极在不同电流密度下的循环稳定性图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明进行详细说明，但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
实施例1
S1：将六氯1,3-丁二烯、三聚氯化磷腈与吡啶在3MPa的反应压力和200℃下进行密闭反应6小时，其中，六氯1,3-丁二烯与三聚氯化磷腈的质量比为1:2，六氯1,3-丁二烯与吡啶的摩尔比为30:0.1；
S2：反应结束后，泄压至常压，并自然冷却至室温，将所得固体用去离子水充分洗涤3次、在80℃下真空干燥10小时，得到干燥样品；
S3：将上述干燥样品在氮气保护下，于900℃下高温处理2小时，从而得到氮、磷、氯共掺杂碳材料。
将实施例1得到的产物计为CL1。
实施例2-7
实施例2-7是依次将实施例1中步骤S1的反应温度由200℃替换为180℃、220℃、160℃、240℃、140℃、260℃，其他操作均不变，从而得到实施例2-7的产物，将产物依次命名为CL2、CL3、CL4、CL5、CL6、CL7。
实施例8-11
实施例8-11是依次将实施例1中步骤S3的处理温度由900℃替换为600℃、700℃、800℃、1000℃，其他操作均不变，从而得到实施例8-11的产物，将产物依次命名为CL8、CL9、CL10、CL11。
电容器电极通过以下步骤制备：
(1)称取氮、磷、氯共掺杂碳材料、乙炔黑、PTFE(聚四氟乙烯)乳液(三者质量比为80:10:10)，加入适量乙醇，混合均匀，不断搅拌成浆糊状时，涂到泡沫镍和不锈钢上；
(2)将涂好氮、磷、氯共掺杂的碳材料的泡沫镍和不锈钢网上进行干燥、烘干、压片，即得到所述电容器电极。
将实施例1-11制得的产物分别通过上述方法制备成电容器电极，以便进行相应的测试。
对实施例1所得的产物进行微观表征，从SEM图和TEM图可以看出实施例1获得的产物实现了N/P/Cl与碳小球掺杂，从HRTEM图看出小球为实心球，从EDS图看出产物中存在磷元素、氮元素、碳元素、氧元素和氯元素。从XRD图可以看出，对应的峰主要为碳材料，没有其他物质的晶型。从XPS图可以看出产物中含有碳、氮、磷、氯和氧元素。
对利用实施例1得到的产物制备的电容器电极进行电化学性能测试。图4a是在不同扫描速率下的循环伏安图，该图中自上而下的各个封闭曲线(即左半部分的最高点起向下排列)的速率依次为1mv/s 10mv/s、50mv/s、80mv/s，图4b是在不同扫描速率下的循环伏安图，该图中自上而下的各个封闭曲线(即左半部分的最高点起向下排列)的速率依次为100mv/s、200mv/s、400mv/s、800mv/s、1000mv/s、2000mv/s。从图4a和4b可以看出，该电极在碱性电解质下2000mv/s的速率下仍有较好的图形，小速率充放电有很好的矩形。经过公式计算在1000mv/s容量为50.2F/g。
图5a和5b是利用实施例1得到的产物制备的电容器电极在不同电流密度下的恒流充放电图，图5a中，自右而左的电流密度依次为0.125A/g、0.5A/g、1A/g、2A/g和4A/g；在图5b中，自右而左的电流密度依次为10A/g、20A/g、40A/g、60A/g和80A/g。从图5a和5b中可以看出，该电极在0.125A/g的电流密度下经计算电容为471F/g(934F/cm3)，从而证明了产物CL1在低电流密度下充放电，表现出了优异的体积容量。
图6a和6b是利用实施例1得到的产物制备的对称电容器电极在不同电流密度下的Ragone图，从图中可以看出，在1A/g的电流密度(最上面五角星)下，该材料的能量密度能够达到18Wh/L。在80A/g的电流密度(最右侧五角星)下，功率密度能够达到104kW/L。本发明的材料与已经报道的杂原子掺杂碳材料相比，有更高的能量密度和功率密度。
图7是利用实施例1得到的产物制备的电容器电极在不同电流密度下的循环稳定性图，由图可见，该材料在大电流密度下有非常好的循环稳定性，在循环60000圈后容量几乎没有任何衰减，变现出了优异的循环稳定性。
对CL2-CL11制得的电容器电极进行电化学性能测试，并与CL1制得的电容器电极的测试结果(图4)进行对比，经过计算，各个材料在1000mv/s的容量分别如表1所示。
表1：不同材料在1000mv/s下的比电容
| 测试样品 | 比电容(F/g) | 测试样品 | 比电容(F/g) |
| CL1 | 76.7 | - | - |
| CL2 | 75.2 | CL3 | 76.4 |
| CL4 | 65.8 | CL5 | 67.1 |
| CL6 | 51.3 | CL7 | 53.6 |
| CL8 | 76.4 | CL9 | 77.1 |
| CL10 | 67.3 | CL11 | 66.2 |
对CL2-CL11制得的电容器电极进行不同电流密度下的充放电测试，并与CL1制得的电容器电极的测试结果(图5)进行对比，表2比较了1A/g和80A/g的电流密度下的电容。
表2：不同材料充放电测试数据
CL2-CL11制得电容器电极的最佳能量密度与功率密度，并与CL1制得的电容器电极的结果(图6)进行对比，见表3。
表3：不同材料的能量密度与功率密度
对CL2-CL11制得的电容器电极进行循环性测试，并与CL1制得的电容器电极的测试结果进行对比，将80A/g下循环60000次后的改变量定义为0，即无衰减，结果见表4。
表4：不同材料的循环稳定性
综合分析表1-4可以看出步骤S1中的反应温度和步骤S3中的高温处理温度对于氮、磷、氯共掺杂碳材料的电学性能有显著的影响。其中，步骤S1的最佳反应温度为200℃，偏离该温度越多，则电学性能下降越明显。步骤S3的最佳处理温度为900℃，偏离该温度越多，则电学性能下降越明显。
Claims (12)
1.一种氮、磷、氯共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将卤代共轭二烯、磷源和芳杂烃混合，于高压、密闭条件下反应，得到第一产物；
S2：对所述第一产物进行冷却、洗涤、干燥，得到第二产物；
S3：将所述第二产物在惰性气氛中进行高温处理，得到氮、磷、氯共掺杂碳材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中反应压力为1～5MPa，反应温度为140～260℃，密闭反应的时间为2～10小时。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S1中反应温度为200℃。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，步骤S1中，卤代共轭二烯为六氯-1,3-丁二烯。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述六氯-1,3-丁二烯与所述磷源的质量比为1：(1～3)。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述芳杂烃为吡啶、吡咯、噻吩、呋喃、苯胺中的一种或几种。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述六氯-1,3-丁二烯与所述芳杂烃的摩尔比为30：(0.01～1)。
8.根据权利要求2-7任一所述的方法，其特征在于，步骤S3中，高温处理温度为900℃。
9.根据权利要求1-8任一所述的方法制得的氮、磷、氯共掺杂碳材料。
10.权利要求9所述的氮、磷、氯共掺杂碳材料在电容器领域的应用。
11.一种包含权利要求9所述的氮、磷、氯共掺杂碳材料的电容器电极。
12.根据权利要求11所述的电容器电极的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)称取氮、磷、氯共掺杂碳材料，乙炔黑和聚四氟乙烯乳液，加入适量乙醇，混合均匀，不断搅拌成浆糊状，然后涂到泡沫镍和不锈钢网上；
(2)将涂好氮、磷、氯共掺杂的碳材料的泡沫镍和不锈钢网进行干燥、烘干、压片，得到所述电容器电极。
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