一種基于離子液體直接炭化法制備雜原子共摻雜多孔碳材料的方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>無(wú)機(jī)化學(xué)及其化合物制造及其合成,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明屬于電池電極材料領(lǐng)域，涉及一種基于離子液體直接炭化法制備雜原子共摻雜多孔碳材料的方法。

背景技術(shù)：

人類社會(huì)的快速發(fā)展使人們對(duì)傳統(tǒng)化石能源日益短缺的問(wèn)題越來(lái)越關(guān)注，為了解決這些問(wèn)題人類必須更加依賴清潔的、可再生新能源。超級(jí)電容器、鋰二次電池等新型的儲(chǔ)能器件滿足了人類對(duì)新型能源的需求。電極材料在開(kāi)發(fā)高效儲(chǔ)能器件過(guò)程中起著舉足輕重的作用。多孔碳材料有著高表面積，孔徑可調(diào)，電化學(xué)性能優(yōu)越以及環(huán)境友好等特點(diǎn)，廣泛作為電極材料應(yīng)用于鋰二次電池、超級(jí)電容器中。合成具有可控結(jié)構(gòu)，高比表面積，適宜的孔徑分布和具有雜原子摻雜的碳材料來(lái)滿足實(shí)際的應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。在碳材料中引入某些雜原子如磷、氮、硫和硼等，不僅可以改善碳電極材料與電解液的之間的潤(rùn)濕性，而且還能在碳材料表面引入贗電容效應(yīng)，從而大幅度提提高碳電極材料的電化學(xué)性能。合成雜原子摻雜碳材料的方法有許多，目前的合成方法是向體系中添加具有雜原子的前驅(qū)體，并且合成過(guò)程復(fù)雜，可塑性差，不符合當(dāng)今環(huán)境保護(hù)的迫切要求。所以尋找一種高效，簡(jiǎn)便并且對(duì)環(huán)境友好的合成方法成為現(xiàn)在制備雜原子摻雜碳材料的研究熱點(diǎn)。

離子液體是指在室溫或接近室溫下完全由陰、陽(yáng)離子構(gòu)成的液體物質(zhì)，其中陽(yáng)離子常為體積較大的有機(jī)陽(yáng)離子，陰離子多為無(wú)機(jī)陰離子。由于離子液體完全由離子構(gòu)成，使其具有低蒸氣壓、熱穩(wěn)定性好、液程較寬、種類多等特殊性能。利用離子液體這些優(yōu)良的特性，以離子液體直接炭化法制備雜原子共摻雜碳材料過(guò)程簡(jiǎn)單，而且合成了具有高導(dǎo)電性、電化學(xué)性能優(yōu)良的碳材料。石墨烯是一種新型材料，是單層sp²雜化碳原子排列組成的二維蜂窩狀晶體材料，厚度僅為0.34nm。由于石墨烯具有高比表面、好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等特性，被廣泛應(yīng)用與在電極材料的制備中。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是獲得一種高效、簡(jiǎn)便并且對(duì)環(huán)境友好的雜原子共摻雜多孔碳材料的合成方法，提供一種基于離子液體直接炭化法制備雜原子共摻雜多孔碳材料的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于離子液體直接炭化法制備雜原子共摻雜多孔碳材料的方法，步驟如下：

步驟一，將碳源、氧化石墨烯按照質(zhì)量比為6：1混合，并將10ml離子液體加入混合物中，將混合物超聲處理3h后，置于烘箱中90℃下烘12h。

所述離子液體為1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽(BMIMHSO₄)、1-甲基-3-乙基咪唑硫酸氫鹽(EMIMHSO₄)、1-甲基-3-丙基咪唑硫酸鹽(PMIMHSO₄)和1-烯丙基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽(AMIMH₂PO₄)、1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽(BMIMH₂PO₄)、1-甲基-3-乙基咪唑磷酸二氫鹽(EMIMH₂PO₄)、1-甲基-3-丙基咪唑磷酸二氫鹽(PMIMH₂PO₄)中的一種或兩種以上混合。

步驟二，將步驟一得到的混合物置于管式爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為1～5℃/min、預(yù)燒結(jié)溫度為300～600℃和預(yù)燒結(jié)保溫時(shí)間為1～3h，得到炭前驅(qū)體。

步驟三，將步驟二所得的炭前驅(qū)體與堿金屬氫氧化物按照質(zhì)量比為1：1～5研磨混合均勻，將混合物體置于管式爐中，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為1～5℃/min，熱處理溫度為700～900℃，保溫時(shí)間為1～3h，得到活化產(chǎn)物；

步驟四，對(duì)步驟三得到的活化產(chǎn)物進(jìn)行酸洗中和，并用去離子水清洗至中性，干燥、研磨后，得到目標(biāo)產(chǎn)物。

步驟一所述的離子液體，優(yōu)選為1-丁基-3-甲基咪唑硫酸氫鹽(BMIMHSO₄)或1-丁基-3-甲基咪唑磷酸二氫鹽(BMIMH₂PO₄)中的一種或兩種以上混合。

所述碳源為葡萄糖、蔗糖、纖維素、麥芽糖、淀粉、糖原中的一種或者兩種以上混合。

所述的堿金屬氫氧化物為氫氧化鉀、氫氧化鈉中的一種或二者的混合物。

所述的惰性氣體為氮?dú)?、氬氣或氦氣中的一種或兩種以上混合。

所述的酸洗中和使用鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一種或兩種以上混合。

所述氧化石墨烯為通過(guò)Hummers或改進(jìn)的Hummers方法制備得到。

所述的雜原子共摻雜多孔碳材料應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰二次電池中作為電極材料。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的離子液體直接炭化法制備的雜原子共摻雜多孔碳材料具有合適的孔徑分布、較高的比表面積，將其作為超級(jí)電容器、鋰二次電池電極材料時(shí)，表現(xiàn)出高的比容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。離子液體直接炭化法合成雜原子共摻雜的碳材料合成過(guò)程簡(jiǎn)單，并且不需要再加入其他雜原子源。應(yīng)用離子液體這種綠色溶劑合成的雜原子共摻雜的碳材料過(guò)程綠色環(huán)保，實(shí)用化程度高，解決了目前雜原子摻雜電極材料的制備過(guò)程有毒并且復(fù)雜的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1制備的氮硫共摻雜多孔碳材料的X射線衍射圖(XPS)。

圖2為實(shí)施例1制備的氮硫共摻雜多孔碳材料的掃描電鏡圖(SEM)。

圖3為實(shí)施例1制備的氮硫共摻雜多孔碳材料的循環(huán)伏安測(cè)試曲線(10mV s^-1)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例1

將0.3g將葡萄糖、50mg氧化石墨烯混合、10mlBMIMHSO₄離子液體超聲處理3h，置于烘箱中90℃下烘12h。將得到的混合物置于管式爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為5℃/min、熱處理溫度為500℃，保溫1h，得到炭前驅(qū)體。將炭前驅(qū)體與堿金屬氫氧化鉀按照質(zhì)量比為1：4混合，將混合物體置于管式爐中，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為5℃/min、熱處理溫度為800℃，保溫2h，隨爐冷卻至室溫。將活化產(chǎn)物用鹽酸和去離子水洗滌干凈，烘干，研磨得到目標(biāo)產(chǎn)物。

用X-射線光電子能譜儀分析確證結(jié)構(gòu)，如圖1所示為氮硫共摻雜多孔碳材料。

用掃描電子顯微鏡表征得到的多層多孔碳材料的形貌。如圖2所示，碳材料呈片狀結(jié)構(gòu)。

離子熱合成法制備得到的多孔碳材料的電化學(xué)性能表征：

將制備得到的多孔碳材料與科琴黑與聚四氟乙烯按質(zhì)量比為8：1：1制成漿液，涂覆在泡沫鎳集流體上得到工作電極，玻璃纖維膜作為隔膜，6M KOH溶液作為電解液，組裝超級(jí)電容器。

將上述裝配好的超級(jí)電容器在電化學(xué)工作站上進(jìn)行循環(huán)伏安測(cè)試，測(cè)試充放電區(qū)間為0-1V，掃描速度為10mV s^-1。結(jié)果如圖3所示，計(jì)算得到在10mV s^-1的掃速下，容量可以達(dá)到305F g^-1?？梢?jiàn)，本發(fā)明制備得到的多孔碳材料作為超級(jí)電容器電極材料時(shí)，表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。

實(shí)施例2

將0.3g將葡萄糖、50mg氧化石墨烯混合、10mlBMIMHSO₄離子液體超聲處理3h，置于烘箱中90℃下烘12h。將得到的混合物置于管式爐中進(jìn)行預(yù)燒結(jié)，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為5℃/min、熱處理溫度為400℃，保溫2h，得到炭前驅(qū)體。將炭前驅(qū)體與堿金屬氫氧化鉀按照質(zhì)量比為1：3混合，將混合物體置于管式爐中，在惰性氣體保護(hù)下加熱升溫，升溫速率為5℃/min、熱處理溫度為900℃，保溫1h，隨爐冷卻至室溫。將活化產(chǎn)物用鹽酸和去離子水洗滌干凈，烘干，研磨得到目標(biāo)產(chǎn)物。