一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极及其制备方法技术

本申请属于能源技术领域，具体涉及一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极及其制备方法，现有技术中针对Nb4N5的合成通常将含有Nb的材料在氨气氛围中加热获得，制备得到的材料通常为粉体，需要粘合剂进行固定，且电容含量有待提高。本申请针对上述问题提供了一种Nb4N5体块材料的制备方法：将LiNbO3单晶放入石英管中，然后通入Ar/CCl4混合气以及氨气，在设定温度下反应相应时间后，水洗去除吸附杂质即可得到自支撑的Nb4N5电容电极。该制备方法可直接获得一种体块材料，无需粘合，且具有有益的电容性能。

A Self-supporting Nb4N5 Capacitive Electrode with Large Capacity and Its Preparation Method

This application belongs to the field of energy technology, and specifically relates to a self-supporting, large-capacity Nb4N5 capacitive electrode and its preparation method. In the existing technology, materials containing Nb are usually heated in ammonia atmosphere for the synthesis of Nb4N5. The prepared materials are usually powders, which need to be fixed by adhesives, and the capacitance content needs to be improved. This application provides a preparation method of Nb4N5 bulk material: LiNbO3 single crystal is put into quartz tube, then mixed with Ar/CCl4 gas and ammonia gas. After the corresponding reaction time at a set temperature, the adsorbed impurities are removed by washing, and the self-supporting Nb4N5 capacitive electrode is obtained. The preparation method can directly obtain a bulk material without bonding and has beneficial capacitive properties.

【技术实现步骤摘要】
一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极及其制备方法
本专利技术属于能源
，具体涉及一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极及其制备方法。
技术介绍
开发与利用清洁能源能够为社会可持续发展提供强力的支撑。其中，利用清洁的电能代替化石能源有望成为最有效的途径之一，然而电能的存储与利用高度受限于储能材料的发展。面对可持续社会发展的要求，探索高容量的储能材料成为迫在眉睫的需求。在众多的储能器件中，电容器以其高功率，高循环稳定性，绿色，易制备等优点成为当前研究的热点。传统的电容器材料多基于双电层存储原理，这严重限制了电容器的储存容量。近年来研究发现，依靠电容材料表面的快速法拉第反应能够极大的提高电容器的储存容量。常见的超级电容器材料为大比表面积的碳材料，具有快速法拉第反应的金属氧化物材料。然而，碳材料的表现高度依赖于其比表面积的大小，可拓展性有限，氧化物的导电性较差。金属氮化物材料由于其高的导电性近来逐渐引起人们的高度关注。李耀刚等人以沉淀法制备的高比表面积无定形Nb2O5为原料，采用氨解法在600～800℃、氮化3～8h制备了氮化铌纳米粉体，对于不同氨解温度、氨解时间合成的粉体性能进行了研究，该研究表明在650～800℃氮化3～8h可得到粒径为15～40nm的X射线衍射纯立方相NbN纳米粉体，该研究表明不同的制备方法可能会获得不同晶相的氮化物粉体。然而，当前充当电容器材料的氮化物多为粉体材料，其制备电容电极需要添加粘合剂导电剂等额外的添加剂，增加了制备电容器的工序复杂性以及制造成本。在众多的金属氮化物中，Nb4N5被证明具有高的电容性能，但其容量及其稳定性仍待进一步提高。综上所述，现有技术缺乏有效的途径来制备Nb4N5体块材料直接作为电容器电极使用，且其容量仍有待于进一步提高，探索新的制备方法直接制备自支撑、大容量的Nb4N5电容电极具有重要的科学与工程意义。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的技术问题，本专利技术的目的在于提供一种具有优异电容含量的Nb4N5体块材料及其制备方法，依据本申请制备方法得到为一种体块材料，可直接应用于电容电极，无需粘合剂。并且该制备方法获得体块材料具有良好的电容性能，作为一种电容电极具有重要的意义。本专利技术第一方面，提供一种Nb4N5体块材料的制备方法，该制备方法的特征在于，以LiNbO3单晶为原料通过氨解反应获得。现有技术中的Nb4N5的制备多以含Nb元素的化合物通过氨解反应获得，未公开以LiNbO3单晶为原料的制备方法。优选的，上述制备方法包括如下步骤：将LiNbO3单晶放入反应炉中，通入Ar/CCl4混合气以及NH3，在设定温度下煅烧一段时间。现有技术中，通常采用NH3与含铌氧化物发生氨解反应获得产物，本申请反应过程中，Ar气作为惰性气体仅仅作为CCl4载气，不会参与反应，采用CCl4与NH3作为气体氛围，CCl4与NH3完全不发生反应，反应过程中不会引发副反应，CCl4参与反应除去原料中的Li元素，最终获得一种纯相的Nb4N5材料。优选的，上述制备方法中Ar-CCl4混合气和NH3的流量比为1:2-1:20。该气流比例下，有利于气体与原料完全反应，提高反应产物的纯度。优选的，上述制备方法中CCl4的流量为50-300sccm，NH3的流量为100-1000sccm。上述反应中，NH3作为体块材料中的氨的来源，CCl4参与反应消耗掉原料中的Li元素，采用上述气体流量条件，能够防止反应过程中空气的混入，还有利于正向反应充分进行，使原料反应更加彻底，减少原料浪费。优选的，煅烧设定温度为750-1000℃。该煅烧条件有利于获得更好的反应效果，煅烧温度过低，反应不充分，煅烧温度过高，有可能引起焦化，造成浪费。优选的，煅烧时间为2-20h。进一步优选的，煅烧时间为7-16h。上述煅烧时间内收率良好，煅烧时间短则铌酸锂晶体反应不完全，煅烧时间长则生成的材料可能会碳化，甚至引起瓷舟的碳化。优选的，上述氨解反应通过管式炉进行。优选的，上述制备方法还包括如下步骤：煅烧完成后，水洗去除吸附杂质得到该体块材料。本专利技术第二方面，提供上述制备方法获得的Nb4N5体块材料。该方法制备的Nb4N5体块材料为一种纯相的材料，纯度高且呈现块状，使用过程中可依据使用目的进行切割，无需另外使用粘合剂。本专利技术第三方面，提供上述Nb4N5体块材料作为电容电极的应用。该Nb4N5体块材料具有近似的四方形的CV曲线，电容性能优异。本专利技术的有益效果1.本专利技术的制备方法较为简单，只需一步反应即可获得纯相的Nb4N5相。现有技术中制备氮化物通常为粉体，需要粘合剂固定成型后才能使用，本申请制备方法获得为一种体块材料，适用于工业大量制备，可以有效的提高生产效率。2.本申请中制备方法获得的Nb4N5材料作为电极，具有近似的四方形的CV曲线，且可到达的电流较大，表明出优异的电容性能，其比面积电容可达1200mF/cm2。3.可通过调整反应物前驱体LiNbO3单晶的厚度来改变产物厚度性能，反应简单易控。4.专利技术人前期研究过程中，通过管式炉、CCl4和NH3气体气氛中煅烧钽酸钾制备了一种Ta3N5薄膜，该薄膜具有内延生长取向性。本申请通过相似的方法得到了一种Nb4N5体块材料，该材料的性能与上述材料的性能完全不同，Nb4N5为导体材料，而Ta3N5为半导体材料，Nb4N5可用于电容器电极而不可用于光电催化，且沿着Nb4N5方向具有交替排布的氮跟铌原子层，此排布导致电子在铌表面聚集而正电荷(质子)吸附在电极的外表面上，从而导致材料具有高的电容性能。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为制备的Nb4N5电容电极的光学照片图图2为本专利技术实施例一中制备的Nb4N5电极的XRD谱图；图3为本专利技术实施例一中制备的Nb4N5电极的SEM正面图。图4为本专利技术实施例一中制备的Nb4N5电极的SEM侧面图。图5为本专利技术实施例一中制备的Nb4N5电极的CV测试图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。正如
技术介绍
所介绍的，现有技术缺乏有效的途径来制备Nb4N5体块材料直接作为电容器电极使用，体块材料的容量及稳定性有待提高，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极的制备方法。为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例与对比例详细说明本申请的技术方案。实施例1一种自支撑、大容量的Nb4N5电容电极及其制备方法，包括如下步骤：1)将LiNbO3单晶放入瓷舟内，然后将瓷舟放入石英管中。2)将石英管放入管式炉中，然后在100sccmAr/CCl4、300s本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Nb4N5体块材料的制备方法，其特征在于，所述Nb4N5体块材料以LiNbO3单晶为原料通过氨解反应获得。

【技术特征摘要】
1.一种Nb4N5体块材料的制备方法，其特征在于，所述Nb4N5体块材料以LiNbO3单晶为原料通过氨解反应获得。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将LiNbO3单晶放入反应釜中，通入Ar/CCl4混合气以及NH3，在设定温度下煅烧一段时间。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述Ar-CCl4混合气和NH3的流量比为1:2-1:20。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，CCl4的流量为50-300sccm，NH3的流量为10...

【专利技术属性】
技术研发人员：王泽岩，李慧亮，黄柏标，张晓阳，秦晓燕，郑昭科，王朋，刘媛媛，张倩倩，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37