[发明专利]一种杂原子改性氟化碳量子点及其制备方法

说明书

本发明涉及一种制备高比容量、低维度氟化碳材料—氟化碳量子点的制备方法。利用溶液化学法，结合微波辅助的方式，将有机小分子进行聚合，经过炭化和石墨化处理，获得杂原子改性的炭量子点材料，经过精准可控的氟化技术，制备得到杂原子改性的氟化碳量子点材料。

技术领域

本发明属于新型氟化碳材料制备及其电池应用领域，具体涉及一种杂原子掺杂氟化碳量子点材料及其制备方法。

背景技术

传统氟化碳是一种由碳、氟两种元素组成的共价型层间化合物，其化学式为(CFx)n。其传统制备方法为由石墨与氟气或含氟物质进行氟化反应，制备得到氟化石墨。氟化碳材料可以作为锂一次电池的正极材料，与金属锂负极组合成为锂氟化碳电池。锂氟化碳电池具有一次电池最高的理论比能量约2180Wh/kg。传统方法制备的氟化碳材料即氟化石墨材料，由于材料的颗粒尺寸和孔径结构等受限域氟化前驱体石墨的影响和制约，氟化碳材料放电很难达到其理论比容量。其次，由于石墨晶格完整，较难进行氟化，制备的氟化碳材料的结构很难突破其氟碳比等于1的限制。F与C的键合方式可以分为共价键和离子键，通常在炭前驱体的晶格缺陷位置以及其结构不均一位点处，可以形成更多的F-C键或者获得更多离子态的F-C键，因此我们通过对氟化前驱体的结构设计，经过精准可控氟化技术，即采用研发制备的杂原子参杂炭量子点为氟化前驱体，利用气相氟化技术，获得更高F/C以及含有更多离子态F-C键的氟化碳量子点材料。利用这种工艺有效提高氟化碳材料的放电比容量和比能量。通过电池工艺的开发制备出具有高比能量的氟化碳电池。

氟化碳材料的结构和性质，极大地影响锂氟化碳电池的电化学性能。原材料的结构和性质，如石墨化程度、材料的维数等，以及氟化工艺是影响氟化碳性能的关键因素。近年来，对氟化碳在电池领域的应用研究主要集中在材料改性方面，如通过控制氟化的条件、采用表面包覆技术以及控制热裂解等技术，在不改变氟化碳材料自身结构的前提下提高碳的含量，提高材料的导电性，进而提高电池的功率密度。但是，上述改性并未显著改变氟化碳材料的结构，不能提高锂离子在氟化碳材料层间的固相扩散速率，因此对氟化碳材料的放电倍率性能的提高帮助有限。

对氟化的前驱体进行结构设计，可以有效调控制备的氟化碳材料的结构，进而调控氟化碳材料的电化学性能。当炭的结构维度减小到零维或准零维尺寸时，炭材料具有更多的边缘不饱和位置，在氟化过程中可以与更多的F进行化学键合，形成更多的F-C键，因而可以有效提高F/C，获得高比容量的氟化碳材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种杂原子掺杂氟化碳量子点及其制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：采用研制的5～20nm的杂原子掺杂炭量子点材料为氟化前驱体，利用含氟化合物对其进行一定温度和压力下的氟化处理，样品经纯化后处理，得到杂原子改性氟化碳量子点材料。

一种杂原子掺杂氟化碳量子点及其制备方法，该制备方法步骤如下：采用有机小分子单体为反应前驱体，利用可控的溶液化学法，结合微波辅助作用，经过石墨化处理，制备高结晶度的碳量子点。再经过可控的氟化技术，制备杂原子改性的氟化碳量子点。

制备方法中，所使用的有机小分子物质为葡萄糖、柠檬酸、聚亚苯基前驱体、苯胺、吡咯、乙烯基苯硼酸等中的一种或几种混合物。有机小分子反应物的质量百分浓度为10～0.5mg/ml。

制备方法中，溶液化学法所采用的反应体系溶剂为乙醇和水的混合溶液，水：乙醇＝1:1～5。在溶液化学反应体系中添加磷酸、硼酸或三氯化铁等中的一种或两种，添加量与有机小分子反应物的质量比为1:100～200。

制备方法中，反应体系中采用微波辅助聚合，微波功率为50～600w，辅助合成为间歇性辅助合成，每次微波时间为3min，间隔时间为5min，总合成反应时间为1～6h。

制备方法中，石墨化处理的温度为600～1200℃，石墨化处理时间为2～4h。