[发明专利]一种杂原子掺杂钛复合材料及其制备方法与用途

说明书

技术领域

本发明提供了复合材料及其制备方法与用途，更具体而言，提供了一种可用于超级电容器的杂原子掺杂复合材料及其制备方法与用途，属于无机功能材料领域。

背景技术

超级电容器是一种新型、高效、实用的能量储存装置，具有大容量、高功率、长寿命、成本低廉、环境友好等优越的性能，是能量储存领域的一项革命性发展，并可在某些领域取代传统蓄电池、发挥电池不能发挥的优势。

碳材料特别是杂原子掺杂的碳材料具有高比表面积、高导电率、高导热率等特性，用其制备的超级电容器具有比电容高、大电流充放电性能、大功率密度和循环寿命长等特性，且资源丰富、结构多样、成本适中，是超级电容器中最为重要的电极材料之一。

但另一个方面，仅仅使用碳纳米材料作超级电容器的电极材料性能还不是很好，例如充放电效率低、比电容不很高、自放电现象严重和易团聚等。

同时，目前所报道的多孔碳材料的能量密度和功率密度在高倍率条件下通常会发生迅速衰减，很难满足电动汽车等对超级电容器高能量/高功率密度的迫切需求。

近年来，钛及其化合物由于具有许多优良性能，从而在航空、航天、车辆工程、生物医学工程等领域具有非常重要的应用价值和广阔的应用前景，但迄今为止，其在超级电容器中的应用报道和科研研究较少。

因此，基于目前超级电容器的缺陷以及改进防线，如何将钛复合材料应用于超级电容器领域，具有十分重要的意义，也是目前无机材料领域的研究热点和重点之一，而这也正是本发明得以完成的基础所在和动力所倚。

发明内容

为了研发新型的无机材料，尤其是得到可用于超级电容器领域的复合材料，本发明人进行了深入的研究，在付出了大量的创造性劳动后，从而完成了本发明。

具体而言，本发明的技术方案和内容涉及一种杂原子掺杂钛复合材料(即掺杂了杂原子的钛复合材料)及其制备方法与用途。

更具体而言，本发明涉及如下的多个方面。

第一个方面，本发明涉及一种杂原子掺杂钛复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1：将全卤丁二烯、钛源与杂芳烃在高于大气压的反应压力下进行密闭反应；

S2：反应结束后，泄压至常压，并自然冷却至室温，将所得固体洗涤、真空干燥，得到干燥样品；

S3：将所述干燥样品在惰性气体保护下进行高温处理，从而得到所述杂原子掺杂钛复合材料。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述全卤丁二烯可为全卤1,2-丁二烯或者全卤1,3-丁二烯，优选为全卤1,3-丁二烯，进一步优选为全氟丁二烯，优选为全卤1,3-丁二烯，进一步优选为全氟丁二烯、全溴丁二烯、全溴丁二烯，优选为全卤1,3-丁二烯，进一步优选为全氟丁二烯、全溴丁二烯或全碘丁二烯，再进一步优选为全卤1,3-丁二烯，进一步优选为全氟丁二烯、全溴丁二烯，最优选为全氯1,3-丁二烯，也即六氯1,3-丁二烯。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述钛源为单质钛、钛合金、有机钛化合物或无机钛化合物，最优选为单质钛。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述杂芳烃为含有杂原子的芳烃，例如可为吡啶、吡咯、噻吩、呋喃等中的任何一种。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述反应压力为1-5MPa，例如可为1MPa、2MPa、3MPa、4MPa或5MPa。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，反应时间为2-10小时，例如可为2小时、4小时、6小时、8小时或10小时。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述全卤丁二烯与钛源的质量比为1:1-3，例如可为1:1、1:2或1:3。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，所述全卤丁二烯与杂芳烃的摩尔比为30:0.01-1，例如可为30:0.01、30:0.02、30:0.05、30:0.1、30:0.2、30:0.5或30:1。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S1中，反应温度为140-260℃，例如可为140℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃或260℃，优选为180-220℃，最优选为200℃。

在本发明的所述杂原子掺杂钛复合材料的制备方法中，在步骤S2中，所得固体可用去离子水洗涤，洗涤次数可为2-4次。