[发明专利]一种氮、磷、氟共掺杂碳基混合电容材料的制备方法

说明书

一种氮、磷、氟共掺杂碳基混合电容材料的制备方法，属于掺杂型多孔碳基电容材料技术领域。在无水无氧惰性环境中进行，将催化剂和2，2′‑联吡啶加入N,N’‑二甲基甲酰胺中，再加入1，5‑环辛二烯，加热溶解；将氮源和氟源加入溶液中，加热反应结束后，将反应物取出；向所得物料内滴加浓盐酸，得到掺杂有絮状沉淀的胶状溶液；将物料过滤，清洗得到含N、F的材料，将含N、F的材料转移到瓷舟中，高温碳化，碳化温度范围为500‑1000℃；将碳化后的含N、F的材料和P源进行高温掺磷。合成条件温和，实验操作简单，材料的比电容值高达250F g^‑1，有效解决了传统碳基超级电容器能量密度低和赝电容材料循环稳定性差的难题。

技术领域

发明属于掺杂型多孔碳基电容材料技术领域，具体涉及一种利用含碳、氮、氟多孔材料作为前驱体，经两步高温碳化、氟化、氮化、磷化的方法合成同时具有双电层电容和赝电容性能的混合型电容材料。

背景技术

超级电容器是一种介于电池与传统电容器之间的新型储能器件,具有循环寿命长，功率密度高、充放电速度快等优点,具有广阔的应用前景。在电动汽车上，超级电容器与电池联合能分别提供高功率和高能量,既减小了电源的体积又延长了电池的寿命。能量密度和功率密度是衡量超级电容器性能的主要指标，而电极材料的性质是决定电容器能量密度、功率密度等电化学性能的关键因素。近年来，随着超级电容器应用领域的不断拓展，超级电容器电极材料的研究已受到世界各国，尤其是发达国家的高度重视。

理想的电极材料应该具有较高的比电容、高倍率性能和循环稳定性。目前商用的超级电容材料多为活性炭，活性炭的比表面积大和孔隙结构可调，然后活性炭只具有双电层电容，比电容依然较低(通常在120F g^-1左右)，从而导致超级电容的能量密度较低，因此开发具有优异性能的电极材料是超级电容器研究中最核心的课题。

赝电容电容器与双电层电容器不同，当赝电容电极材料应用于电容器时，在电极材料表面发生快速的、可逆的法拉第反应氧化还原反应，使电荷在电极之间转移，导致了法拉第电流在超级电容器体系中的传递。这些电化学法拉第过程不但能扩大超级电容器的电压范围，而且能提高超级电容器的比电容。赝电容材料能表现出比双电层电容材料大得多的比电容和能量密度。然而，赝电容材料的功率密度往往小于双电层电容材料，且赝电容材料的循环寿命较低，无法满足使用需求。近年来研究人员发现碳材料表面的官能团表现出一定的赝电容性能，但开发同时兼具双电层电容和赝电容性能的碳材料依然面临着很大的挑战。

发明内容

本发明通过简单的方法合成了一种氮、磷、氟共掺杂多孔碳材料，该材料不但具有双电层电容性能，还具有赝电容性能，同时具有较高的循环寿命，解决了传统碳基超级电容器能量密度低和赝电容材料循环稳定性差的难题。

本发明是通过以下方式实现的：

步骤1)制备含N、F的材料

反应物料的配置在无水无氧惰性环境(手套箱)中进行，将催化剂双(1，5-环辛二烯)镍和2，2′-联吡啶加入N,N’-二甲基甲酰胺中，再加入1，5-环辛二烯，加热搅拌，使之完全溶解；之后将氮源和氟源加入溶液中，加热反应，反应结束后，将反应物取出；催化剂和单体(单体指的是2，2′-联吡啶、1，5-环辛二烯、氮源和氟源)的摩尔比范围为2-6:1，优选4-6:1，更优选5.2:1；单体中氮源和氟源用量摩尔比范围0.5-2:1，其中优选0.8-1.5：1，更优选1:1；反应加热温度为65-120℃，优选75-100℃，更优选85℃。反应时间范围为7-20小时，优选8-12小时，更优选10小时；

之后向所得物料内滴加浓盐酸，不断摇晃，至溶液变为掺杂有絮状沉淀的胶状溶液；将物料倒入抽滤瓶过滤，并先后用氯仿、四氢呋喃和去离子水清洗，所得的产物，放入真空干燥箱下干燥；真空干燥温度范围60-150℃，优选80-120℃，更优选100℃。干燥时间8-24小时，优选10-15小时，更优选12小时。