[发明专利]一种具有优异超电容性能的氮氯共掺杂层次孔碳的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料技术领域，本发明还涉及高性能超级电容器用电极材料的制备，具体为一种氮氯共掺杂层次孔碳的制备及其在超级电容器中的应用。

背景技术

研究表明，层次孔碳具有高比表面积、大孔容和有利于缩短电解液离子传输距离的微孔、介孔甚至大孔的双重或多重孔结构，进而可以显著地改善基于静电吸附原理呈现出的双电层电容和功率性能。然而，由于电解液离子可接触的比表面积有限，无法通过增大比表面积、改善孔结构来进一步提高碳材料在超级电容器中所表现出的超电容性能。许多研究指出，异质原子(硼、氮、氧、氟、磷、硫、氯等)引入到碳材料中可以获得具有富电子的官能团、增大碳骨架中的电子密度，从而提升碳材料的导电性、改善与电解液的亲和性、引入赝电容，达到改善倍率性能、能量性能和功率性能的目的。

目前，为了获得氮氯共掺杂的层次孔碳，需要采用先化学刻蚀(KOH或CO₂作为刻蚀剂)、高温裂解、真空辅助分解和离子束刻蚀前驱体(如石墨烯、碳纳米管、生物质、高分子)的方法构建层次孔结构的碳材料，然后在含有掺杂源的氛围中热处理层次孔碳的两步甚至多步方法来实现，这些方法存在步骤复杂、耗时长、产量低等诸多缺陷。

碳化物衍生碳作为一种具有独特孔结构的碳材料，在超级电容器、锂-硫电池、气体吸附、过滤等领域具有广泛的应用。当其作为超级电容器电极的时候，由于～0.5nm的微孔结构所产生的去溶剂化效应，可以使得基于其的超级电容器呈现优异的电化学性能。然而，为了满足高性能超级电容器的应用，碳化物衍生碳的超电容性能需要进一步提高。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供了一种具有优异超电容性能的氮氯共掺杂层次孔碳的制备方法，以解决上述背景技术中的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种具有优异超电容性能的氮氯共掺杂层次孔碳的制备方法，利用含有氮元素的金属/半金属碳氮化物作为反应前驱体，在一定温度下基于氯原子与前驱体中的金属或半金属原子的化学反应使得原晶体结构被破坏并完成碳原子重组，在保留前驱体一定量氮原子的前提下引入氯原子到碳晶格中，最后通过去除生成的反应副产物——金属或半金属氯化物，在碳化物衍生碳中保留大量的不同尺寸的孔，进而一步实现异质原子的引入和层次孔结构的构建。包括如下具体步骤：

(1)将一定量的反应前驱体置于管式炉中，在高纯氩气惰性气体氛围中以5°C/min速率升温至设定的反应温度700～1000℃；所述反应前驱体采用粉末状碳氮化钛或碳氮化硅，包括以下物质之一：TiC_0.3N_0.7、TiC_0.5N_0.5、TiC_0.7N_0.3、SiC_0.3N_0.7、SiC_0.5N_0.5、SiC_0.7N_0.3；

(2)在所设反应温度700～1000℃下，通入惰性气体和含氯气体的混合气，并反应2～8h，以刻蚀前驱体中的金属或半金属原子，同时实现氯原子的引入；

(3)以5℃/min的降温速率下降至600℃，在600℃温度和惰性或者还原性气体的流动下，保温时间为2h，去除反应生成的氯化物及残留的氯气或氯化氢气体，进而获得氮氯共掺杂的层次孔碳。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)原料上，采用含有氮元素的金属或半金属碳氮化物，可以实现碳化物衍生碳的氮掺杂，并可以通过改变前驱体中氮元素的含量可控地调整最终制备的碳材料中所含氮元素的量；

(2)方法上，利用氯气或氯化氢气体作为刻蚀剂在一定温度下和时间下去除金属或半金属原子，可以通过改变前驱体种类、反应温度和时间调控所制备碳材料的孔尺寸和孔分布；

(3)以含氯的气体作为刻蚀剂，在刻蚀前驱体中的金属或半金属的同时引入可以为碳晶格提供电子的氯原子，从而一步实现碳化物衍生碳的制备和氯掺杂。

附图说明

图1为实施例2制备氮氯共掺杂层次孔碳所用TiC_0.5N_0.5前驱体的X射线衍射图；

图2为实施例2制备的氮氯共掺杂层次孔碳的X射线衍射图；

图3为实施例2制备的氮氯共掺杂层次孔碳的N₂吸附-脱附曲线和相应的孔径分布图，其中a)为吸附-脱附曲线图，b)为孔径分布图；