[发明专利]一种高密度氮氧氯共掺杂碳颗粒材料、以及制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种高密度氮氧氯共掺杂碳颗粒材料、以及制备方法与应用，所述方法包括如下步骤：S1:将六氯丁二烯、苯胺均匀混合后在水热釜下进行加热密闭反应；S2:反应结束后，自然冷却至常温常压，将所得固体洗涤干燥，得到干燥样品；S3:将所述干燥材料在惰性气体保护下进行高温煅烧处理，从而得到所述高密度氮氧氯共掺杂碳颗粒；还涉及所述复合材料、用途和包含其的超级电容器工作电极。所述高密度氮氧氯共掺杂碳颗粒具有优异的性能，可用来制备超级电容器的工作电极，从而可用于超级电容器中，并表现出了良好的电化学储能特性，在电化学储能领域具有巨大的应用潜力和工业价值。

技术领域

本发明属于无机功能材料和新能源电极材料领域，具体是指一种复合材料 及其制备方法，用途和由其制得的电极，特别是指一种简单高效的高密度氮氧 氯共掺杂碳颗粒材料制备方法，用途和包含其的超级电容器的制备方法。

背景技术

超级电容器，包括双电层电容器(EDLC)和赝电容器，是电化学能量存储 装置，它兼有物理电容器和电池的特性，可提供比电池更高的功率密度和比传 统介电电容器更高的能量密度。当需要高功率输送和快速能量收集时，电容器 是可充电电池中有前途的替代或补充，同时又满足了高能量回收的需要。

由于碳纳米材料具有多孔性、低成本、优良的热稳定性能，以及良好的导 电性成为超级电容器中常用的电极材料。然而，碳纳米粉末在组装成电极时需 要额外的粘合剂或导电添加剂。离子扩散长度相对较长，活性物质与集电极之 间的电荷转移电阻较大，抑制了电子的快速输运，导致电子的速率较低。为了 加强碳纳米材料的电容性性能，大量研究表明，氮掺杂(N-掺杂)有利于增加赝 电容，此外，N掺杂可以显著提高碳纳米材料的表面润湿性(亲水性)。

但是现有的氮掺杂多孔结构碳材料的制备往往是通过模板法，所用模板一 般为多孔二氧化硅或金属氧化物。其制备过程可以分为以下几个部分：首先， 将含氮的碳前驱体(包括单体和聚合物)注入到特定结构的多孔模板中；然后，让 前驱体在孔洞中聚合和碳化，得到模板-碳的复合物。最后，将模板浸蚀，留下 一一个多孔碳的复制品。然而，模板法在经济上不实用，而且得到的碳材料在 纯度上也难以得到保证。模板法制得的氮掺杂多孔结构碳材料通常孔结构比较 单一，当作为超级电容器材料时，不利于电荷的扩散。因此怎样用简单的方法 制备大比表面、多级孔结构、高纯度的氮掺杂碳材料成为了国内外研究的热点。 (参见文献：Adv.Mater.2006,18,1793；Chem.Commun.2012,48,7447；Adv. EnergyMater.2012,2,419)

CN106887340A公开了一种基于胞嘧啶的掺氮多孔碳材料，由胞嘧啶、间苯 二酚和甲醛，通过水热法合成含氮酚醛树脂，然后冷冻干燥，再与碱均匀混合 经活化处理后，进行洗涤，干燥而得，其比表面积范围在1700～2900m² g^-1，作 为电容器电极材料其比电容为297～392F/g。此方法虽然获得的高比表面积的材 料，但是氮掺杂的含量较低，其能量密度不高。

CN106206078B公开了一种超级电容器的制作方法，主要以三聚氰胺海绵和 苯胺单体为原料，将0.5-1mL苯胺单体和0.3-0.6g过二硫酸铵分别溶解在于0℃ 预冷过的摩尔浓度为1mol/L的酸溶液中，搅拌至完全溶解后将两种溶液充分混 合形成混合溶液，将商业三聚氰胺海绵浸泡于上述混合溶液中，然后置于冰箱 中冷藏保存，经过24h氧化聚合在三聚氰胺海绵表面覆盖了深绿色的聚苯胺， 将聚合反应后的三聚氰胺海绵用去离子水洗涤至中性，于60℃干燥，然后转 移至管式炉中在氮气气氛下于600-900℃煅烧1-6h，自然冷却至室温后依次用 去离子水和乙醇洗涤并干燥得到氮掺杂碳材料。以上制备方法涉及到低温和高 温的变化，并且所需时间较长，能耗高，操作比较繁琐。