CN107749349A - 一种c@f2o3复合结构的电极材料制备的新方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种C@F2O3复合结构的电极材料制备的新方法，以木质素为碳源，三氯化铁为金属盐，低温碳化和高温活化相结合的方法制备分级结构的C@F2O3。复合材料的孔道将提供相互连接的空间网络结构和传质通道，所形成的三维空间连续的导电网络将利于电子的传输和转移，从而加快赝电容反应的进行，提高复合材料的比电容，有望解决炭基超级电容器的比电容低、倍率性能低、循环性能低的问题，提高超级电容器的能量密度和功率密度，具有重要的理论研究意义和实际应用前景。

Description

一种C@F2O3复合结构的电极材料制备的新方法
技术领域
本发明涉及一种C@F2O3复合结构的电极材料制备的新方法，具体涉及利用水热法制备复合物的前驱体，然后高温活化合成不同负载量F2O3复合材料的方法。
背景技术
非对称超级电容器由于兼具双层电层电容和法拉第赝电容，因此在性能上大大优于对称型超级电容器，近年来吸引了越来越多的关注。非对称超级电容器将不同储能机制的两种电极材料组合。其中一侧电极以氧化还原反应机制来储存和释放能量，这样可以提高整个电容器的能量密度，通常使用金属化合物或导电聚合物作为其电极材料；另一侧电极以双电层机制来储存和释放能量，通常使用碳材料作为其电极材料，这样可以提高整个电容器的功率密度。关于如何提高非对称超级电容器的能量密度，研究人员的研究方向主要是将具有双电层电容的碳材料与具有氧化还原性能的赝电容材料相结合，充分利用不同电压范围内的不同电极材料的电化学特性，以扩大电容器的工作电压，水系对称的赝电容器的工作电压一般不超过1V，而水系非对称电容器的工作电压可以扩展到2V。
作为超级电容器的电极材料主要有：碳材料，过渡金属化合物材料和导电聚合物材料。在这三类材料中，碳材料稳定性好，但其比电容不高。导电聚合物材料种类较少，并且在长时间的使用后结构易膨胀和塌陷。相比较而言，目前，过渡金属氧化物或双氢氧化物由于实用性良好和环境友好，主要用非对称超级电容器中的电极。金属化合物具有较高的比电容，尽管它们自身的电导率较差，但是可以通过合理设计其结构或与其它导电材料进行复合以弥补该缺陷。非对称超级电容器存储能量的多少也取决于负极的性质。多数情况下，低比电容的活性炭或多孔石墨烯作为负极应用于非对称纤维超级电容器。这样的电容器需要更多的碳材料来平衡阴阳极之间的电荷，因此不仅增加了器件体积，而且严重限制了其能量密度。为了解决这个问题，开发具有高比电容的负极材料是使超级电容器的能量密度最大化的研究关键。近年来为了改善电容性能，MoOx，Bi2O3等作为电极材料已经被广泛研究。其中在这些氧化物中，因为Fe2O3在碱性溶液中具有可变的氧化态，无毒性和高理论比电容，被认为是替代常规多孔碳电极的非常有前途的选择。然而，由于其本身的电导率低(10-14S/cm)和氧化还原反应速率慢是限制其作为超级电容器电极的主要问题。虽然通过缩短离子扩散时间或与碳材料结合来提高其性能已经作了许多研究，但Fe2O3的比电容仍然相当低，导致其能量密度和功率密度低。专利CN106783236A一种氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料制备方法本发明属于过渡金属氧化物纳米复合材料制备技术领域，涉及一种氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料制备方法，用于电极材料制备场合，解决工艺制备步骤多，耗时长，复合物比电容低不利于材料应用的难题，能够简便高效的制备氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料，采用含氮元素的生物聚合物甲壳胺为结构导向剂和有机前体，以过渡金属盐为反应物，通过共沉淀反应制备复合物，并经过惰性气氛煅烧，利用过渡金属催化石墨化作用制备氮掺杂石墨化碳/过渡金属氧化物纳米复合材料，其制备工艺步骤简单，节能环保，原理可靠，制备成本低，电化学性能好，导电性高，应用广泛，使用环境友好，具有良好的经济效益和广阔的市场前景。专利CN106449159A碳纤维包裹金属氧化物的电容器用柔性电极及制备方法，本发明公开一种碳纤维包裹金属氧化物的电容器用柔性电极及制备方法，通过对金属氧化物纳米粒子表面修饰等，可利用静电纺丝技术制备碳纳米纤维(一维碳材料)腔内包裹金属氧化物纳米粒子柔性膜，用于柔性超级电容电极。不仅柔性好，而且碳纳米纤维可为金属氧化物那纳米粒子工作时的体积变化提供充分的缓冲空间，减小金属氧化物的体积效应，具有比电容高、稳定性好等优点，进一步提高了柔性电容的性能。另外，生产过程无需表面化学沉积或电沉积等方法，操作简单、材料结构可控、成本低，适合大批量工业生产。本专利主要利用木质素为碳源，原位合成C@F2O3复合材料作为电极，此种方法文献及专利中未见报道。
发明内容
为实现本发明所提供的技术方案是：
(1)准确称量碱木质素，铁盐，物质量之比为1∶1～1∶5，溶解在30ml KOH溶液中，KOH的质量浓度为0～20％，然后加入一定在质量的醋酸钠，在40～80℃下搅拌回流2～5小时，转移至反应釜中，160～200℃反应10～18h，自然冷却，产品反复用去离子水洗至中性，70℃下真空干燥24h，即得复合物的前驱体；
(2)将步骤(1)的复合物的前驱体转移至管式炉中，N2保护，升温速度为3℃/min，升温至700～900℃，保温2h，冷却至室温后，真空过滤，产品反复用去离子水洗至中性，即得C@F2O3复合材料。
为更好理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步地详细说明，但是本发明要求保护的范围并不局限于实施例表示的范围。
实施例1：
(1)准确称量碱木质素，氯化铁，物质量之比为1∶4，溶解在30ml KOH溶液中，KOH的质量浓度为5％，然后加入一定质量的醋酸钠，在40℃下搅拌回流2小时，转移至反应釜中，180℃反应18h，自然冷却，产品反复用去离子水洗至中性，70℃下真空干燥24h，即得复合物的前驱体；
(2)将步骤(1)的复合物的前驱体转移至管式炉中，N2保护，升温速度为3℃/min，升温至800℃，保温2h，冷却至室温后，真空过滤，产品反复用去离子水洗至中性，即得C@F2O3复合材料。
实施例2：改变铁盐为硝酸铁，其他步骤同实施例1，即得即得C@F2O3复合材料。
实施例3：改变氯化铁和木质素的物质量之比为1∶5，其他步骤同实施例1，即得即得C@F2O3复合材料。
实施例4：改变炭化温度为700℃，其他步骤同实施例1，即得即得C@F2O3复合材料复合材料。

Claims (2)

1.一种C@F2O3复合结构的电极材料制备的新方法，具体步骤如下：
(1)准确称量碱木质素，铁盐，物质量之比为1∶1～1∶5，溶解在30ml KOH溶液中，KOH的质量浓度为0～20％，然后加入一定质量的醋酸钠，在40～80℃下搅拌回流2～5小时，转移至反应釜中，160～200℃反应10～18h，自然冷却，产品反复用去离子水洗至中性，70℃下真空干燥24h，即得复合物的前驱体；
(2)将步骤(1)的复合物的前驱体转移至管式炉中，N2保护，升温速度为3℃/min，升温至700～900℃，保温2h，冷却至室温后，真空过滤，产品反复用去离子水洗至中性，即得C@F2O3复合材料。
2.一种如权利要求1所述的一种C@F2O3复合结构的电极材料制备的新方法，其特征在于：铁盐可以是氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、醋酸铁。
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