一种管状钴杂化g-C3N4材料及其微波合成方法和在超级电容器领域中的应用技术

本发明专利技术公开了一种管状钴杂化g

【技术实现步骤摘要】
一种管状钴杂化g
‑
C3N4材料及其微波合成方法和在超级电容器领域中的应用


[0001]本专利技术涉及储能材料的制备及应用
，具体涉及一种管状钴杂化g
‑
C3N4材料及其微波合成方法和在超级电容器领域中的应用。

技术介绍

[0002]碳材料具有导电性好、化学性能稳定等优势，在超级电容器领域被广泛的研究。目前，已有大量研究报道证实杂原子的掺杂(O、B、N、P、S等)可以有效提升碳材料的电容性能。其中，N原子掺杂的效果较为显著，而石墨相氮化碳(g
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C3N4)作为一种高氮含量碳材料在储能领域具有极大的应用前景，且与传统N原子掺杂的碳材料不同，g
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C3N4原料丰富，制备简单，制备过程安全无毒。
[0003]然而，通过热聚合直接获得的块体g
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C3N4本身电容性较差，传统的马弗炉加热方式耗能高、热量利用率低，严重限制其大规模应用。因此，如何提高g
‑
C3N4的电容性，并降低其制备能耗，成为研究的热点。
[0004]比表面提升对提升g
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C3N4的电容性具有重要作用。如MustaphaBalarabe Idris、Sappani Devaraj等通过软模板法制备了高比表面积的介孔g
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C3N4材料，有效提升了g
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C3N4的电容性(ElectrochimicaActa,2019,303:219
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230)。此外，在g
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C3N4材料中引入理论比电容高的材料也具有显著效果。如A.ChandraBose、NikhithaJoseph等(ElectrochimicaActa,2019,301:401
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410)通过在g
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C3N4材料中引入MoS2获得了高性能的MoS2/g
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C3N4复合超级电容器电极；GuangzhiDong、HuiqingFan等制备了三明治结构的g
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C3N4/聚吡咯复合电极表现出优异的电容稳定性(CompositesPartB:Engineering,2019,162:369
‑
377)。
[0005]除了提高g
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C3N4材料的电容性能外，如何降低g
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C3N4的制备能耗是另外一个关键问题。微波法具有加热速度极快、定点加热等优势，已经被成功应用于纳米材料的合成。然而，由于应用于制备g
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C3N4材料的前驱体(如三聚氰胺、双氰胺、尿素、硫脲等)对微波不敏感，严重限制了微波法在g
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C3N4制备上的应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种管状钴杂化g
‑
C3N4材料的微波合成方法，步骤简单，操作方便，制备能耗和合成时间大大降低，节能环保。
[0007]本专利技术的目的之二在于提供上述合成方法制得的管状钴杂化g
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C3N4材料，该材料具有较大的比表面积和较高的电容性能。
[0008]本专利技术的目的之三在于提供上述管状钴杂化g
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C3N4材料在超级电容器领域中的应用。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案是：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种管状钴杂化g
‑
C3N4材料的微波合成方法，包括以下步骤：
[0011]S1、将等摩尔的饱和三聚氰胺澄清溶液与饱和三聚氰酸澄清溶液混合形成结构疏松的三聚氰胺
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三聚氰酸超分子聚集体；
[0012]S2、将三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子聚集体离心清洗后，重新分散于水溶液中，并进行水热处理再结晶；待反应结束后离心、冷冻干燥得到尺寸均匀、结晶良好的棒状三聚氰胺
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三聚氰酸超分子前驱体；
[0013]S3、将棒状三聚氰胺
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三聚氰酸超分子前驱体分散于无水乙醇中，并加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，充分搅拌反应后形成混合溶液，用无水甲醇离心清洗后得到聚乙烯吡咯烷酮修饰的棒状超分子；
[0014]S4、将聚乙烯吡咯烷酮修饰的棒状超分子分散于无水甲醇中，并加入硝酸钴甲醇溶液和2
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甲基咪唑甲醇溶液，充分搅拌反应后形成混合溶液，用无水甲醇离心、清洗、干燥得到二维MOF包覆棒状超分子前驱体；
[0015]S5、将二维MOF包覆棒状超分子前驱体置于坩埚中，利用微波加热获得管状钴杂化g
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C3N4材料。
[0016]优选的，步骤S2中，所述三聚氰胺
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三聚氰酸超分子聚集体与水的质量比为(0.02～0.04)：1；所述水热处理温度为120℃～150℃，水热处理时间为6～12h。
[0017]优选的，步骤S3中，棒状三聚氰胺
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三聚氰酸超分子前驱体、无水乙醇、聚乙烯吡络烷酮之间的质量比为(0.1～0.5)：20：0.1；所述搅拌速率为60～120转/分，搅拌时间为3～12h。
[0018]优选的，步骤S4中，混合溶液中聚乙烯吡咯烷酮修饰的棒状超分子、无水甲醇、硝酸钴、2
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甲基咪唑的质量比为(0.1～0.5)：24：0.9：0.07；所述搅拌速率为60～120转/分，搅拌时间为12～24h。
[0019]优选的，步骤S5中，所述微波加热功率为700～1000W，微波时间为20～40min。
[0020]优选的，步骤S1中，饱和三聚氰胺澄清溶液与饱和三聚氰酸澄清溶液均是在水浴加热至80℃时形成的饱和溶液。
[0021]第二方面，本专利技术还提供采用上述合成方法得到的管状钴杂化g
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C3N4材料。
[0022]优选的，所述g
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C3N4材料形貌为管状，钴杂化物包覆在管状g
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C3N4材料的表面。
[0023]第三方面，本专利技术还提供上述管状钴杂化g
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C3N4材料在超级电容器领域中的应用。
[0024]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0025](1)本专利技术利用水热条件下的饱和三聚氰胺与饱和三聚氰酸溶液制备超分子前驱体，获得了高产量的超分子聚集体，且其通过水热再结晶，可获得形貌均匀，结晶良好的超分子前驱体；
[0026](2)本专利技术在棒状三聚氰胺
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三聚氰酸超分子前驱体表面生长一层二维钴MOF(金属有机框架)材料，该二维钴MOF材料具有微波吸收功能，可充当微波吸收剂，通过直接微波加热快速获得管状钴杂化g
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C3N4材料，该方法简便、易操作、制备能耗和合成时间大大降低、节能环保，适宜大规模工业化生产；
[0027](3)本专利技术通过控制g
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C3N4前驱体形貌来获得比表面积较大的g
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管状钴杂化g
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C3N4材料的微波合成方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将等摩尔的饱和三聚氰胺澄清溶液与饱和三聚氰酸澄清溶液混合形成结构疏松的三聚氰胺
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三聚氰酸超分子聚集体；S2、将三聚氰胺
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三聚氰酸超分子聚集体离心清洗后，重新分散于水溶液中，并进行水热处理再结晶；待反应结束后离心、冷冻干燥得到尺寸均匀、结晶良好的棒状三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子前驱体；S3、将棒状三聚氰胺
‑
三聚氰酸超分子前驱体分散于无水乙醇中，并加入表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮，充分搅拌反应后形成混合溶液，用无水甲醇离心清洗后得到聚乙烯吡咯烷酮修饰的棒状超分子前驱体；S4、将聚乙烯吡咯烷酮修饰的棒状超分子前驱体分散于无水甲醇中，并加入硝酸钴甲醇溶液和2
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甲基咪唑甲醇溶液，充分搅拌反应后形成混合溶液，用无水甲醇离心、清洗、干燥得到二维MOF包覆棒状超分子前驱体；S5、将二维MOF包覆棒状超分子前驱体置于坩埚中，利用微波加热获得管状钴杂化g
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C3N4材料。2.根据权利要求1中所述的一种管状钴杂化g
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C3N4材料的微波合成方法，其特征在于，步骤S2中，所述三聚氰胺
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三聚氰酸超分子聚集体与水的质量比为(0.02～0.04)：1；所述水热处理温度为120℃～150℃，水热处理时间为9～12h。3.根据权利要求1或2中所述的一种管状钴杂化g
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C3N4材料的微波合成方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘园园，王鹏，罗丛丛，么冰，宋明，李靖，堵锡华，
申请(专利权)人：徐州工程学院，
类型：发明
国别省市：