一种氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料及其制备和应用制造技术

本发明专利技术涉及一种氟氮共掺杂碳纳米球‑碳纳米片复合材料及其制备和应用，本发明专利技术将聚苯胺凝胶纳米球与共混盐、氟化铵通过高温碳化，即得。本发明专利技术制备方法简单、比电容高、循环稳定性优异，测试表明：在1A/g的电流密度下，其比电容量达到了320F/g；电极可以在没有比电容量损失的情况下循环高达5000次，性能非常稳定，本发明专利技术所制备的复合材料是一种理想的超级电容器的高性能电极材料。

Preparation and Application of a Fluorine-Nitrogen Co-doped Carbon Nanosphere-Carbon Nanosheet Composite

【技术实现步骤摘要】
一种氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料及其制备和应用
本专利技术属于氟氮共掺杂材料及其制备和应用领域，特别涉及一种氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料及其制备和应用。
技术介绍
随着科技的日益进步以及人口的持续增长，人类对资源的需求量也随之增加，在传统化石能源枯竭的形势日益严峻的情况下，作为新能源领域的新型储能元件，超级电容器走上了历史舞台。碳材料是超级电容器最广泛的一类电极材料，碳材料孔结构和比表面积的协同作用对电化学性能有重要影响，通常与孔隙率，孔体积，比表面积，微孔/介孔的含量比等参数成正比性。因此对具有大比表面积电极材料的选择是增大超级电容器的比电容量的一种有效途径，寻找合适的多孔材料成为了对碳材料结构设计的研究重点。如CN108492996A公开了一种氟、氮共掺杂的类石墨烯片层材料的制备方法，利用氨基葡萄糖盐酸盐和聚偏二氟乙烯高温碳化制得类石墨烯片层材料。所制得的类石墨烯片层材料为二维结构，材料易堆积，在电容器应用中的性能较差。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料及其制备和应用，通过聚苯胺凝胶纳米球制得碳纳米球-碳纳米片复合材料，使碳纳米片均匀包覆在碳纳米球表面，形成三维导电结构。本专利技术利用盐模板法，将聚苯胺凝胶纳米球与LiCl/KCl共熔盐、氟化铵均匀混合，在惰性气体氛围中高温碳化，最终得到结构稳定和化学功能性高的高比表面积的多孔碳材料。本专利技术的一种氟氮共掺杂复合材料，其特征在于，按重量份数，由下列原料组份制备：苯胺1-3份、植酸2-5份、氯化钾40-50份、氯化锂40-50份、氟化氨1-3份、过硫酸铵4-7份。所述复合材料为碳纳米球-碳纳米片复合材料，聚苯胺凝胶纳米球碳化后形成碳纳米球，并且在LiCl/KCl共混盐的作用下，碳纳米球表面被催化形成了一层碳纳米片，构成形成三维导电结构。。本专利技术的一种氟氮共掺杂复合材料的制备方法，包括：(1)将植酸、苯胺溶于水中，得到混合溶液；(2)将上述混合溶液、过硫酸铵溶液冷却后，混合，静置，得到聚苯胺凝胶纳米球，洗涤，干燥；(3)将上述聚苯胺凝胶同氟化氨、共混盐混合，研磨，升温，并在惰气气氛中进行碳化，冷却，酸洗，干燥，即得氟氮共掺杂复合材料；其中共混盐为氯化钾/氯化锂共混盐。上述制备方法的优选方式如下：所述步骤(1)中植酸、苯胺、水的比例为1-3mmol:5-15mmol:20-40mL。所述步骤(2)中过硫酸铵溶液的浓度为0.2-0.3g/mL。所述步骤(2)中冷却至-4℃～4℃。所述步骤(2)中洗涤，干燥为用去离子水清洗两次，并在真空烘箱中干燥，其中干燥为：调节工艺参数为60℃，抽真空。所述步骤(3)中凝胶、共混盐、氟化铵的质量比例为1:20-70:0.3-3。优选地，步骤(3)中凝胶、共混盐、氟化铵的质量比例为1:50:1。所述步骤(3)中研磨为在行星式球磨机中充分研磨。所述步骤(3)中升温，并在惰气气氛中进行碳化具体为：升温速率为3-5℃/min，惰气气氛为高纯度的氩气，碳化温度为600-800℃，保持2h。优选地，升温速率为5℃/min；碳化温度为600℃，保持2h。所述步骤(3)中酸洗为采用0.5mol/L稀盐酸洗涤；干燥为60℃下在真空烘箱中干燥10-12h。本专利技术还提供一种所述氟氮共掺杂复合材料的应用，如超级电容器的电极材料。有益效果(1)本专利技术聚苯胺凝胶纳米球是苯胺和植酸通过低温化学合成制备得到，所述的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料是聚苯胺凝胶纳米球与共混盐、氟化铵通过高温碳化得到。其制备过程包括：通过化学合成制备聚苯胺凝胶纳米球，聚苯胺凝胶纳米球与共混盐、氟化铵混合均匀，高温碳化制得氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料；本专利技术所制备的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料制备方法简单、比电容高、循环稳定性优异；本专利技术制备方法简单易行，适合大规模生产；(2)本专利技术实验设计巧妙，通过高温碳化技术，碳纳米片均匀包覆在多孔碳纳米球表面，形成三维多级结构，特别的，氟化铵的加入可以在碳材料中引入某些杂原子，不仅可以改善电极材料与电解液界面的润湿性，还可以引入赝电容效应，从而提高电极材料的电容特性；(3)本专利技术制备的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合结构，碳纳米片包裹在多孔碳纳米球表面，形成三维导电结构，该材料具备高比电容量，优异的循环稳定性，适合超级电容器的电极材料，在1A/g的电流密度下，其比电容量达到了320F/g，性能非常稳定，电极可以在没有比电容量损失的情况下循环高达5000次。附图说明图1中(a)是制得的聚苯胺凝胶纳米球的SEM图；图1中(b)是实施例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-1的SEM图；图1中(c)是对比例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-2的SEM图；图1中(d)是对比例2制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-3的SEM图；图2是实施例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-1的CV循环图；图3是对比例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-2的CV循环图；图4是对比例2制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-3的CV循环图；图5是实施例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-1在不同电流密度下的比电容量图；图6是对比例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-2在不同电流密度下的比电容量图；图7是对比例2制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-2在不同电流密度下的比电容量图；图8是实施例1制得的的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料FNC-1的循环稳定性图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。使用扫描电子显微镜(SEM)、电化学工作站来表征氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料形貌及用作超级电容器电极材料的电化学性能。实施例1(1)将2.86g过硫酸铵溶于10ml去离子水中制得溶液A；混合2mmol植酸和10mmol苯胺溶于30ml去离子水中制得溶液B。(2)将溶液A和B冷却到0℃，然后迅速将二者混合，并静置12小时得到聚苯胺凝胶。(3)产物用去离子水清洗两次，并在60℃下于真空烘箱中干燥12小时。(4)将得到的凝胶与氟化氨、共混盐(LiCl/KCl共熔盐，LiCl/KCl的质量比为0.45：0.55)混合，在行星式球磨机中充分研磨，凝胶、共混盐、氟化铵的质量比例为1:50:1。(5)将共混物在5℃/min的升温速率下，气温升到600℃碳化，在氩气气氛中恒温保持2小时。(6)待自然冷却至室温后，产物用0.5mol/L的稀盐酸洗涤，并在60℃下在真空烘箱中干燥12小时，制得的氟氮共掺杂碳纳米球-碳纳米片复合材料记为FNC-1对比例1将实施例1中的凝胶与共混盐的比例改为1:20，其余均同实施例1，最终所获得的复合材料记为FNC-2。对比例2将实施例1中的凝胶与氟化铵的比例改为1:3，其余均同实施例1，最终所获得的复合材料记为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟氮共掺杂复合材料，其特征在于，按重量份数，由下列原料组份制备：苯胺1‑3份、植酸2‑5份、氯化钾40‑50份、氯化锂40‑50份、氟化氨1‑3份、过硫酸铵4‑7份。

【技术特征摘要】
1.一种氟氮共掺杂复合材料，其特征在于，按重量份数，由下列原料组份制备：苯胺1-3份、植酸2-5份、氯化钾40-50份、氯化锂40-50份、氟化氨1-3份、过硫酸铵4-7份。2.根据权利要求1所述复合材料，其特征在于，所述复合材料为碳纳米球-碳纳米片复合材料，聚苯胺凝胶纳米球碳化后形成碳纳米球，并且在LiCl/KCl共混盐的作用下，碳纳米球表面被催化形成了一层碳纳米片，构成形成三维导电结构。3.一种氟氮共掺杂复合材料的制备方法，包括：(1)将植酸、苯胺溶于水中，得到混合溶液；(2)将上述混合溶液、过硫酸铵溶液冷却后，混合，静置，得到聚苯胺凝胶，洗涤，干燥；(3)将上述聚苯胺凝胶同氟化氨、共混盐混合，研磨，升温，并在惰气气氛中进行碳化，冷却，酸洗，干燥，即得氟氮共掺杂复合材料；其中共混盐为氯化钾/氯化锂共混盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天西，高继升，张超，刘志崇，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31