氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法及其在超级电容器电极中的应用技术

本发明专利技术涉及一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法，如下步骤：(1)称取一定重量份的环戊二烯基铁、六氯丁二烯和吡啶加入聚四氟乙烯反应釜内胆中，混合；(2)密封，放入高温反应釜中，旋紧反应釜盖，置于烘箱中于180‑220℃反应6‑24小时；(3)冷却至室温，打开反应釜，将产物置于烘箱中120℃，干燥6小时；(4)取适量样品置于管式炉的石英管中间部分，通氩气，排净管内的空气；升温速率为10℃/min，使管式炉温度缓慢升温，维持60‑120min后仪器自动降温，冷至，关闭气体，获得氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料；所述的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料具有优良的电学性能，用来制作超级电容电极，在电化学领域具有巨大的潜力。

Preparation of N-O Co-doped Porous Carbon/Ferric Oxide Composites and Their Application in Supercapacitor Electrodes

The invention relates to a preparation method of a porous carbon/ferric oxide composite material co-doped with nitrogen and oxygen, which comprises the following steps: (1) weighing a certain weight of cyclopentadienyl iron, hexachlorobutadiene and pyridine and adding them into the inner tank of a polytetrafluoroethylene reactor, mixing them; (2) sealing them, putting them into a high temperature reactor, tightening the reactor cover and placing them in the oven. Reaction time in the oven is 6 24 hours at 180; (3) Cool to room temperature, open the reaction kettle, put the product in the oven 120, dry for 6 hours; (4) Put some sample in the middle part of the quartz tube of the tubular furnace, ventilate argon, discharge the air in the tube; Temperature After 0 minutes, the instrument automatically cooled down, cooled to, and shut off the gas to obtain nitrogen and oxygen co-doped porous carbon / ferric oxide composite materials; the nitrogen and oxygen co-doped porous carbon / ferric oxide composite materials have excellent electrical properties, used to make Supercapacitive electrodes, in the electrochemical field has great potential.

【技术实现步骤摘要】
氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法及其在超级电容器电极中的应用
本专利技术提供了一种复合材料及其制备方法、用途，具体而言，提供了一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法及其在超级电容器电极中的应用，属于无机功能材料和电化学能源

技术介绍
在现在的信息化时代，人们对于储能设备有了更高的要求，超级电容器作为一种能源存储器件，具有相对简单的工作原理、高的充放电速率(功率密度)、良好的稳定性和使用寿命，从而成为人们广泛关注和研究的对象。但是与锂电池相比，超级电容器的能量密度仍然相对较小(Science,2008.321(5889):pp.651-652.)，其能量密度可通过E＝0.5CU2计算(C:比电容，单位F/g；U:电压，单位V)，所以当电压相同时，可以通过提高比电容来提高其能量密度。因此，研究具有高比电容特性的物质作为超级电容器的电极材料显得非常重要，超级电容器的电极材料是决定其电容性能好坏的关键因素之一，因此，制备同时兼具高功率密度，高能量密度，高电容容量和循环稳定性的电极材料是解决问题的关键。碳材料虽然具有良好的导电性和化学稳定性、价格低廉、制备简单以及环境友好等诸多优点，但其比电容最高只有200F/g，且其振实密度较低，导致其体积比电容较低，因而限制了它的广泛应用。过渡金属氧化物中的二氧化钌的比电容非常高，但钌的价格昂贵，限制了其在商业生产中的广泛应用。导电聚合物虽然具有价格便宜、制备容易、法拉第准电容高等优点，但其化学稳定性较差，电容衰减较快。由此可知，不同类型的电极材料单独使用时，存在导电性差、成本高、比电容低以及循环稳定性差等缺点。结合材料的不同特征制成电化学性能更优异的复合材料是当前研究的方向，复合材料比单一的电极材料表现出更多的优点，可以发挥不同材料的优势，从而提高了超级电容器的整体性能。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的是提供一种良好的比电容性、导电性且低成本的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料。本专利技术的第二个目的是提供一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法。本专利技术的第三个目的是提供一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料在超级电容器电极中的应用方法。为实现本专利技术的第一个专利技术目的，其技术方案是步骤如下：(1)称取环戊二烯基铁5-20mmol，加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，再加入六氯丁二烯及吡啶，六氯丁二烯的添加量为1-30mL，所述六氯丁二烯与吡啶的摩尔比为1:0.03-30，混合；(2)密封后放入不锈钢高温反应釜中，旋紧反应釜盖，将其置于烘箱中于180-220℃，反应4-20小时；(3)自然冷却至室温，关闭烘箱电源，打开反应釜，将釜中的产物全部转移到表面皿中，然后烘干得到半成品；(4)取半成品置于瓷舟中，将其置于管式炉的石英管中间部分，通氩气30min，排净管内的空气；然后设置温度和反应时间升温程序，升温速率为10℃/min，使管式炉温度缓慢升至300-500℃，维持60-120min后仪器自动降温，冷至室温后关闭气体，获得氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料。优选地，所述的管式炉温度上升为300-500℃，具体为300℃、400℃、500℃；所述的环戊二烯基铁(Fe(C5H5)2)的用量为5-20mmol，具体为5mmol、10mmol、15mmol、20mmol。所述六氯丁二烯与吡啶的摩尔比为1:0.03-30,例如1:0.03、1:0.05、1:0.1、1:0.5、1:1、1:2、1:5、1:10、1:15、1:20、1:25或1:30。所述反应温度例如可为180℃、200℃或220℃，优选为200℃。反应时间为2-20小时，例如可为4小时、8小时、12小时、16或20小时。所述的管式炉温度上升为600-800℃，具体为600℃、700℃、800℃。实现本专利技术的第二个专利技术目的，本专利技术的技术方案是提供了上述制备方法制备得到的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料。所述的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料具有优良的电学性能，具有良好的比电容性、导电性，可应用于电容器领域，尤其是超级电容器领域，具有良好的应用前景。实现本专利技术的第三个专利技术目的，本专利技术还涉及一种超级电容器电极，该超级电容器电极的制备方法为：将所述的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料与乙炔黑、聚四氟乙烯按8:1:1质量比在研钵中研磨均匀；加入乙醇，将混合物调成糊状，并将所得的糊状物涂覆到直径为1.5cm的圆形泡沫镍表面，并与红外灯下烘10-15min；烘干后的材料进行压片，压力为5-6MPa，得到超级电容电极。如上所述，本专利技术提供了一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法及其在超级电容器电极中的应用，所述的氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料具有优良的电学性能，可以用来制作超级电容电极，在电化学领域具有巨大的潜力。附图说明图1实施例1所得的样品10-Fe-N-C-400的形貌表征；图2实施例1所得的样品10-Fe-N-C-400的能量色散X射线光谱测试(EDX)；图3实施例1、实施例5和实施例6所得的样品10-Fe-N-C-400、10-Fe-N-C-300和10-Fe-N-C-500的Raman和XRD图谱分析；图4实施例1所得的样品10-Fe-N-C-400的XPS表征；图5实施例1-6所得的各种样品通过循环伏安法来表征电化学性能；图6实施例1所得的样品10-Fe-N-C-400通过恒流充放电测试来表征电化学性能。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术进行具体的描述，只用于对本专利技术进行进一步说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限定，该领域的技术工程师可根据上述专利技术的内容对本专利技术作出一些非本质的改进和调整。下面各实施例所用到的仪器、药品如下1.1仪器如表11.2药品如表2实施例1(1)称取环戊二烯基铁(Fe(C5H5)2)10mmol，量取2mL六氯丁二烯(C4Cl6)和28mL吡啶加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，分别作为铁源和碳源，混合；(2)密封后放入不锈钢高温反应釜中，旋紧反应釜盖，将其置于烘箱中于200℃反应6小时；(3)自然冷却至室温，关闭烘箱电源，打开反应釜，将釜中的产物全部转移到玻璃表面皿中，置于烘箱中120℃，干燥6小时，将干燥后的样品收集于试剂瓶中；(4)取适量样品置于瓷舟中，将其置于管式炉的石英管中间部分，通氩气30min，排净管内的空气；然后设置温度和反应时间升温程序，升温速率为10℃/min，使管式炉温度缓慢升至400℃，维持90min后仪器自动降温，冷至室温后关闭气体，获得氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料，标记为10-Fe-N-C-400；实施例2-4同实施例1中的步骤，除了将实施例1中的(1)步骤里面称取环戊二烯基铁(Fe(C5H5)2)的量替换为5mmol、15mmol、20mmol外，其他操作均不变，得到材料的标记依次为5-Fe-N-C-400、15-Fe-N-C-400、20-Fe-N-C-400；实施例5-6同实施例1中的步骤，除了将实施例1中的(4)步骤里面管式炉温度升至300℃、500℃外，其他操作均不变，从而到材料的标记依次为10-Fe-N-C-300、10-Fe-N-C-500；实施例7一种超级电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)称取环戊二烯基铁5‑20mmol，加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，再加入六氯丁二烯及吡啶，六氯丁二烯的添加量为1‑30mL，所述六氯丁二烯与吡啶的摩尔比为1:0.03‑30，混合；(2)密封后放入不锈钢高温反应釜中，旋紧反应釜盖，将其置于烘箱中于180‑220℃，反应4‑20小时；(3)自然冷却至室温，关闭烘箱电源，打开反应釜，将釜中的产物全部转移到表面皿中，然后烘干得到半成品；(4)取半成品置于瓷舟中，将其置于管式炉的石英管中间部分，通氩气30min，排净管内的空气；然后设置温度和反应时间升温程序，升温速率为10℃/min，使管式炉温度缓慢升至300‑500℃，维持60‑120min后仪器自动降温，冷至室温后关闭气体，获得氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复合材料的制备方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：(1)称取环戊二烯基铁5-20mmol，加入到50mL的聚四氟乙烯反应釜内胆中，再加入六氯丁二烯及吡啶，六氯丁二烯的添加量为1-30mL，所述六氯丁二烯与吡啶的摩尔比为1:0.03-30，混合；(2)密封后放入不锈钢高温反应釜中，旋紧反应釜盖，将其置于烘箱中于180-220℃，反应4-20小时；(3)自然冷却至室温，关闭烘箱电源，打开反应釜，将釜中的产物全部转移到表面皿中，然后烘干得到半成品；(4)取半成品置于瓷舟中，将其置于管式炉的石英管中间部分，通氩气30min，排净管内的空气；然后设置温度和反应时间升温程序，升温速率为10℃/min，使管式炉温度缓慢升至300-500℃，维持60-120min后仪器自动降温，冷至室温后关闭气体，获得氮氧共掺杂多孔碳/四氧化三铁复...

【专利技术属性】
技术研发人员：金辉乐，刘萌，王舜，董小妹，冯鑫，颜成展，王继昌，叶香珠，
申请(专利权)人：温州大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33