一种N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法及其应用，涉及炭材料制备与储能技术领域。方法包括以下步骤：将氯化铜溶液和碳酸钾溶液混合均匀后加热，过滤，干燥，得到所述碱式碳酸铜；将蒽油、所述碱式碳酸铜、离子液体和N,N

【技术实现步骤摘要】
一种N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及炭材料制备与储能
，特别是涉及一种N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]随着化石燃料的消耗，导致二氧化碳排放，形成温室效应，使得冰川融化、海平面上升，这一现象促使人们去开发新的能源，进而减少二氧化碳的排放。然而新能源的开发需要能量存储与转化装置，市场上普遍使用的能量存储与转化装置是锂离子电池，然而锂源价格的攀升及其低储量，使得迫切需要开发廉价的储能器件。作为最优前景的储能器件之一，锌离子混合电容器有机地结合了锌离子电池高能量密度和超级电容器长循环寿命与高功率密度的优点，然而，正极材料(如碳材料、金属材料、导电聚合物)的性能限制了它的应用区域。作为廉价正极材料，碳材料的制备前驱体有化工副产物、生物质、聚合物等，以化工副产物为碳源，不仅可以减少对环境的污染，而且可以实现其高附加值利用。然而，碳材料的制备过程中由于纳米金属氧化物模板的使用导致材料的成本较高，且利用强碱作为活化剂，对设备产生了腐蚀。此外，多孔碳材料的导电性要低于石墨烯材料。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法及其应用，以廉价的氯化铜和碳酸钾为原料制备碱式碳酸铜，作为限域模板和活化剂，蒽油为碳前驱体，离子液体(1
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乙基
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甲基咪唑六氟磷酸盐)为N和P掺杂剂，通过高温碳化、活化过程，制得N/P共掺杂碳纳米笼；作为锌离子混合电容器正极材料，获得了优异的锌离子存储性能。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0005]本专利技术技术方案之一，一种N/P共掺杂碳纳米笼，所述N/P共掺杂碳纳米笼中N含量为2.6～4.2at％，P含量为1.7～2.1at％，平均孔径为2.5～3.1nm，比表面积为1200～2400m2/g，总孔孔容为0.9～1.6cm3/g，微孔孔容为0.3～0.7cm3/g。
[0006]本专利技术技术方案之二，一种上述N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1，碱式碳酸铜的制备：将氯化铜溶液和碳酸钾溶液混合均匀后加热，过滤，干燥，得到所述碱式碳酸铜；
[0008]步骤2，反应物的预处理：将蒽油、所述碱式碳酸铜、离子液体和N,N
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二甲基甲酰胺混合均匀，得到反应物；
[0009]步骤3，N/P共掺杂碳纳米笼的制备：对所述反应物进行碳化处理，得到所述N/P共掺杂碳纳米笼。
[0010]进一步地，步骤1中，所述氯化铜溶液、所述碳酸钾溶液的浓度均为0.1～0.5mol/L；氯化铜与碳酸钾的物质的量比为1:1～2；所述加热的温度为40～80℃，时间为12h。
[0011]进一步地，步骤2中，所述蒽油与所述碱式碳酸铜的质量比为1:2～4；所述碱式碳酸铜占所述蒽油、碱式碳酸铜与离子液体总质量的4/7～8/11；所述N,N
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二甲基甲酰胺的用
量为能够使蒽油、碱式碳酸铜与离子液体在液体状态混合均匀即可。
[0012]进一步地，步骤2中，所述离子液体为1
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乙基
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甲基咪唑六氟磷酸盐。
[0013]进一步地，步骤3中，所述碳化处理具体为：先以2℃/min的升温速率从室温加热到200℃，保持1h后，以5℃/min的升温速率加热到850
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1050℃，恒温1h。
[0014]本专利技术限定先以2℃/min的升温速率从室温加热到200℃保持1h的原因是：碱式碳酸铜的分解温度为200℃，超出此温度会发生分解，在此温度停留主要是为了使原料均匀混合。
[0015]本专利技术限定以5℃/min的升温速率加热到850
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1050℃恒温1h的原因是：超出此温度范围会影响孔结构，恒温时间改变也会影响孔结构参数。在本专利技术优选的实施方式中，以5℃/min的升温速率加热到950℃恒温1h。
[0016]进一步地，步骤3中所述碳化处理后还包括酸洗、干燥、研磨、过筛的步骤。
[0017]本专利技术技术方案之三，上述的N/P共掺杂碳纳米笼在锌离子混合电容器中的应用。
[0018]本专利技术技术方案之四，一种锌离子混合电容器，正极材料包括上述的N/P共掺杂碳纳米笼。
[0019]本专利技术以廉价的氯化铜和碳酸钾为原料制备碱式碳酸铜作为限域模板和活化剂，以蒽油为原料(碳前驱体)，离子液体(1
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乙基
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甲基咪唑六氟磷酸盐)为N和P掺杂剂，随着温度的升高，蒽油中的芳香烃包覆在自制的碱式碳酸铜模板的表面，随着温度升高，碱式碳酸铜分解产生的二氧化碳和水蒸气起活化剪裁造孔作用(起着物理活化作用)，形成分级孔结构，在氧化铜的模板作用下，形成笼状结构；此外，离子液体(1
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乙基
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甲基咪唑六氟磷酸盐)分解产生N、P掺杂剂，取代碳基体中的碳原子，引入N/P杂原子，经过酸洗干燥后，获得N/P共掺杂碳纳米笼，并将其应用于锌离子混合电容器中，研究其构效关系。
[0020]本专利技术公开了以下技术效果：
[0021]1、本专利技术以廉价的氯化铜与碳酸钾为原料制备碱式碳酸铜，代替昂贵的金属氧化物模板和碱性活化剂，避免了强碱活化剂使用过程中对设备的腐蚀，碱式碳酸铜分解产生的二氧化碳可以作为活化剂进行物理活化，同时氧化铜作为模板，可以形成笼状结构，有助于电解液离子的存储与传输。
[0022]2、本专利技术以富含多环芳烃的蒽油为碳源，原料廉价易得，采用简单的一步碳化、活化法直接制备得到锌离子混合电容器用N/P共掺杂碳纳米片，工艺简单，实现了化工副产物蒽油的高附加值利用。
[0023]3、本专利技术所制备的N/P共掺杂碳纳米笼具有高的比表面积，可达到2317.6m2/g。本专利技术所制备的N/P共掺杂碳纳米笼作为锌离子混合电容器的正极材料时，在1mol/L Zn(ClO4)2水系电解液中，电流密度为0.5A/g时，其容量可达149.8mAh/g；电流密度为20A/g时，其容量可达83.9mAh/g；在3A/g电流密度下，经过15000次循环后容量保持率可为96.4％，库伦效率为99.7％，显示了高的比容和优异的循环寿命。
[0024]4、本专利技术制备的N/P共掺杂碳纳米笼具有低成本、易于操作的优点，此外，笼状结构可以作为电解液槽存储电解液离子，同时加快了电子的传输，N、P杂原子的引入增强了电解液离子的吸附能力，从而提高了锌离子混合电容器的电化学性能。
附图说明
[0025]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0026]图1为本专利技术实施例1
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3制备的N/P共掺杂碳纳米笼的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N/P共掺杂碳纳米笼，其特征在于，所述N/P共掺杂碳纳米笼中N含量为2.6～4.2at％，P含量为1.7～2.1at％，平均孔径为2.5～3.1nm，比表面积为1200～2400m2/g，总孔孔容为0.9～1.6cm3/g，微孔孔容为0.3～0.7cm3/g。2.一种权利要求1所述的N/P共掺杂碳纳米笼的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，碱式碳酸铜的制备：将氯化铜溶液和碳酸钾溶液混合均匀后加热，过滤，干燥，得到所述碱式碳酸铜；步骤2，反应物的预处理：将蒽油、所述碱式碳酸铜、离子液体和N,N
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二甲基甲酰胺混合均匀，得到反应物；步骤3，N/P共掺杂碳纳米笼的制备：对所述反应物进行碳化处理，得到所述N/P共掺杂碳纳米笼。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述氯化铜溶液、所述碳酸钾溶液的浓度均为0.1～0.5mol/L；氯化铜与碳酸钾的物质的量比为1:1～2；所述加热的温度为40～80℃，时间为12h。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏风，李斌，周成成，杨美婷，
申请(专利权)人：滁州学院，
类型：发明
国别省市：