[发明专利]一种杂原子掺杂的三维多孔碳材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明属于碳材料制备技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂的三维多孔碳材料、制备方法及其在作为电极材料在制备储能器件中的应用。

背景技术

碳材料来源丰富、成本低廉、无毒且稳定性好，在众多领域均有广泛应用。碳材料被认为是电化学储能器件(锂离子电池、钠离子电池、超级电容器)最具应用前景的电极材料之一，开发具有高容量、长寿命、低成本的碳材料对促进新型高性能电化学储能器件的发展意义重大。

具备三维多孔特性的碳材料的比表面积大、导电性高、化学稳性好，尤其适合应用于能量存储与转换系统中，如锂离子电池、超级电容器、太阳能电池、燃料电池等。但，现有三维多孔碳材料的生产技术尚不成熟。

碳量子点尺寸小于10nm，具有准球形的结构，为一种可稳定发光的纳米碳材料。碳量子点具有独特的荧光性质，发光稳定、且无光漂白现象。碳量子点还具有低毒性和良好的生物兼容性，因此，在生物成像，荧光传感，光催化和有机光伏器件等方面具有广泛的应用。

现有技术中，报道了较多碳量子点与金属氧化物(或聚合物等)的复合，如[Angew.Chem.Int.Ed，49(2010)：4430.]，该类复合物主要应用在光学器件、生物和光催化等领域；此外，也有一些关于碳量子点制备成电极材料应用于超级电容器的报道，如，通过电泳沉积法将石墨烯量子点修饰到金电极上，研究了其超级电容行为[Adv.Funct.Mater，2013，DOI：10.1002/adfm.201203771]。

公开号为CN103325579 A的中国专利文献公开了一种还原碳量子点/RuO₂复合材料及其制备和应用方法，将水合无定型二氧化钌纳米颗粒加入到还原碳量子点溶液中搅拌后，将混合物干燥即得还原碳量子点/RuO₂复合材料；所述的还原碳量子点溶液是由碳量子点粉末在经过低温热还原得到的还原碳量子点粉末的溶液。该复合材料相对于纯的RuO₂具有一定的超级电容性能，其比容量、倍率和循环性能均有一定的提高，但该方法是将碳量子作为添加剂，辅助改善RuO₂的电容性能。

发明内容

针对现有技术在碳材料质量及性能等方面的缺陷，本发明提供了一种杂原子掺杂的三维多孔碳材料的制备方法，该方法以碳量子点为原料，操作简单、制备条件可控、成本低廉，有利于工业化放大生产。此外，本发明还包括所述的三维多孔碳材料在制备储能器件中的应用。

一种杂原子掺杂的三维多孔碳材料的制备方法，将碳量子点、碱金属氢氧化物和杂原子源混合后，置于惰性气体氛围下煅烧，煅烧产物依次经过中和、固液分离、干燥，即得杂原子掺杂的三维多孔碳材料；所述的杂原子源选自硼化合物、硫化合物、氮化合物、磷化合物中的至少一种。

本发明中，将丙酮与氢氧化钠混合反应得到富含含氧官能团的碳量子点，将其作为直接原料(碳源)，其与杂原子源、碱金属氢氧化物(简称为碱)在惰性气体(如氩气)的氛围下进行高温煅烧处理，使活性基团相互反应。煅烧处理完成后，将煅烧反应的产物研磨成粉末，加入酸使pH调节至中性；然后进行固液分离(固液分离手段为现有常规手段，如真空抽滤、离心等)；固液分离的固体部分用去离子水清洗多次；最后在真空下干燥，即得到具备三维多孔结构的碳材料(黑色粉末)。本发明中，首次以碳量量子点为碳源制备杂原子掺杂的三维多孔碳材料，制得的材料具有良好的电学性能；且所述的制备方法操作简便、高效、条件可控、成本低廉；有利于实现工业化生产。

所用的碳量子点的制备方法参照文献：Adv.Mater.2015，27，7861-7866.

物料配比对制得的碳材料的性能具有一定的影响，碳量子点、碱金属氢氧化物和杂原子源的质量比为1∶1～20∶1～20。

作为优选，碳量子点、碱金属氢氧化物和杂原子源的质量比为1∶3～15∶1～10。

本发明人发现，所述的杂原子源的掺杂可以提高碳材料的电化学性能。

作为优选，所述的杂原子源选自硼酸盐、B₂O₃、NaBH₄、硫酸盐、二苄基二硫、二苯二硫醚、硝酸盐、三聚氰胺、尿素、磷酸盐、三苯基膦中的至少一种。在该物料选取范围下，为了减少废料，碳量子点与杂原子源的质量比优选为1∶1～10。

进一步优选，所述的杂原子源选自磷酸盐、硫酸盐、B₂O₃、三聚氰胺中的至少一种。配合该优选物料，所述的碳量子点与杂原子源的质量比优选为1∶4～9。