一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品技术

本发明专利技术属于超级电容器相关技术领域，并公开了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品。该制备方法包括下列步骤：S1选取多孔石墨炔作为基体，在该基体中掺杂非金属元素，使得该多孔石墨炔成为导体；在基体中掺杂非金属元素是指采用非金属原子取代所述基体中的碳原子；所述非金属元素为硼、氮、氧或者硫元素中的一种；掺杂方式为四价掺杂；多孔石墨炔为多孔石墨炔中氢取代石墨单炔，氢取代石墨二炔或者卤素取代石墨炔中的一种；S2将步骤S1中的导体多孔石墨炔作为电极，离子液体作为电解质，以此形成超级电容器。通过本发明专利技术，解决超级电容器能量密度低的问题。超级电容器能量密度低的问题。超级电容器能量密度低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品


[0001]本专利技术属于超级电容相关
，更具体地，涉及一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品。

技术介绍

[0002]超级电容器具有功率密度高，充放电速度快，循环寿命长的优点，但其能量密度相对于电池而言较低。提高其能量密度而不降低其功率密度可以扩大超级电容器的应用范围。目前普遍使用三维纳米多孔碳材料，比如活性碳，碳化物衍生碳等，作为超级电容器电极提高其能量密度。但因为碳电极无序的结构，使得离子通道迂回复杂，这会降低超级电容器的功率密度。因此，发展新型的超级电容器电极材料十分必要。
[0003]多孔石墨炔是一种二维多孔碳材料，由于其规则的孔结构、可以精确调控孔径、大比表面积等优点，而有潜力应用于超级电容器电极，但是其电导率较低限制了其应用；电解质方面，室温离子液体是一种完全由阴阳离子组成的低熔点液体，具有电压窗口高(通常大于3.5V)、电化学性能稳定，工作温度范围广等优点，非常适合用于超级电容器电解液。因此提高二维多孔的石墨炔的电导率，并结合离子液体，可以设计一种同时具有高能量密度和高功率密度的超级电容器。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法及其产品，解决超级电容能量密度和功率密度低的问题。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，该制备方法包括下列步骤：
[0006]S1选取多孔石墨炔作为基体，在该基体中掺杂非金属元素，使得该多孔石墨炔成为导体；
[0007]S2将步骤S1中的导体多孔石墨炔作为电极，离子液体作为电解质，以此形成超级电容器。
[0008]进一步优选地，在步骤S1中，所述在基体中掺杂非金属元素是指采用非金属元素取代所述基体中的碳元素。
[0009]进一步优选地，所述在基体中掺杂非金属元素采用的方法是吸附掺杂和晶格掺杂。进一步优选地，在步骤S1中，所述非金属元素为硼、氮、氧或者硫元素中的一种。
[0010]进一步优选地，所述掺杂方式为四价掺杂。
[0011]进一步优选地，在步骤S1中，在所述多孔石墨炔中掺杂非金属元素后，还需采用密度泛函理论来优化含非金属元素掺杂的多孔石墨炔结构，以此保证该掺杂有非金属元素的多孔石墨炔结构为导体。。
[0012]进一步优选地，当掺杂的元素为硼时，其质量分数为3.7％～22.6％；当掺杂的元素为氮时，其质量分数为4.7％～28％；当掺杂的元素为氧时，其质量分数为5.4％～30％；
当掺杂的元素为硫时，其质量分数为10.2％～46.4％。
[0013]进一步优选地，在步骤S2中，所述离子液体为咪挫类离子液体、吡啶类离子液体、季铵盐类离子液体和季鏻盐离子液体中的一种或多种。
[0014]进一步优选地，在步骤S1中，所述多孔石墨炔为多孔石墨炔中氢取代石墨单炔，氢取代石墨二炔或者卤素取代石墨炔中的一种。
[0015]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种上述所述的制备方法制备获得的超级电容。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0017]1.本专利技术中采用的多孔石墨炔是一种二维有序的多孔结构，相比于三维无序多孔电极材料，二维孔通道会缩短离子的传输路径，加快超级电容器充电速度，从而可以获得更高的功率密度；相比于普通石墨炔，多孔石墨炔因为孔结构可以获得更大的比表面积值，根据能量公式：E＝1/2ACV2(E为能量，A为比表面积，C为电容，V为工作电压),可以获得更大的能量密度；而在多孔石墨炔中使用非金属元素掺杂可以提高电极量电容与电导率；使用离子液体，是因为离子液体相对于水溶液，有机溶剂可以获得更大的电压窗口，根据能量密度公式，获得的超级电容器的能量密度更大；
[0018]2.本专利技术中之所以在多孔石墨炔中掺杂非金属元素，是因为原始多孔石墨炔中碳原子的价电子全部参与形成共价键，使得缺少载流子参与导电，所以原始多孔石墨炔的导电性很低；掺杂硼、氮、氧或者硫原子可以引入空穴或者自由电子，它们可以作为载流子参与导电，使得掺杂的多孔石墨炔变为导体；
[0019]3.本专利技术者掺杂的非金属元素硼、氮、氧或者硫元素，因为硼最外层比碳少一个电子，采用四价掺杂会形成空穴；而氮比碳多一个电子，氧或者硫比碳多两个电子，采用氮、氧或者硫元素四价掺杂会形成自由电子，这会提高多孔石墨炔的电导率，进而使得多孔石墨炔在四价掺杂后由半导体转换为导体；
[0020]4.本专利技术中在选取掺杂元素的质量分数时，保证质量风湿的最低值是每个石墨炔单元都掺杂了一个非金属元素，大于这个最低值才能保证多孔石墨炔已经转化为导体；上述最大值是指每个苯环上有三个位点被非金属元素取代，如果过量的掺杂，会使得石墨炔结构不稳定，而且现给的这个最大值已经使其电导率和超级电容器的性能足够好，而更高的比例在实际中很难实现。
附图说明
[0021]图1是按照本专利技术的优选实施例所构建的超级电容的设计流程图；
[0022]图2是不含掺杂的原始氢取代石墨炔分子结构示意图；
[0023]图3是按照本专利技术的优选实施例所构建的含不同比例硼元素或氮元素掺杂的氢取代石墨炔分子结构示意图，其中，(a)是1号位点氮元素掺杂结构示意图，(b)是2号位点氮元素掺杂结构示意图，(c)是高比例氮元素掺杂结构示意图，(d)是1号位点硼元素掺杂结构示意图，(e)是2号位点硼元素掺杂结构示意图，(f)是高比例硼元素掺杂结构示意图；
[0024]图4是不含掺杂的原始氢取代石墨炔电子态密度；
[0025]图5是按照本专利技术的优选实施例所构建的不同比例氮元素掺杂的氢取代石墨炔电
子态密度；
[0026]图6是按照本专利技术的优选实施例所构建的不同比例氮元素掺杂的氢取代石墨炔作为电极，离子液体1
‑
甲基
‑3‑
甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM][BF4])作为电解液的组成超级电容器的微分电容；
[0027]图7是按照本专利技术的优选实施例所构建的不同比例硼元素掺杂的氢取代石墨炔电子态密度；
[0028]图8是按照本专利技术的优选实施例所构建的不同比例硼元素掺杂的氢取代石墨炔作为电极，离子液体[EMIM][BF4]作为电解液的组成超级电容器的微分电容；
[0029]图9是按照本专利技术的优选实施例所构建的硼元素掺杂的氢取代石墨炔作为电极，离子液体[EMIM][BF4]作为电解液的组成超级电容器的充电时间随电压变化；
[0030]图10是按照本专利技术的优选实施例所构建的硼元素掺杂的氢取代石墨炔作为电极，离子液体[EMIM][BF4]作为电解液的组成超级电容器的孔内离子输运电阻随电压变化；
[0031]图11是按照本专利技术的优选实施例所构建的硼元素掺杂的氢取代石墨炔作为电极，离子液体[EMIM][BF4]作为电解液的组成超级电容本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括下列步骤：S1选取多孔石墨炔作为基体，在该基体中掺杂非金属元素，使得该多孔石墨炔成为导体；S2将步骤S1中的导体多孔石墨炔作为电极，离子液体作为电解质，以此形成超级电容器。2.如权利要求1所述的一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述在基体中掺杂非金属元素是指采用非金属元素取代所述基体中的碳元素。3.如权利要求2所述的一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，所述在基体中掺杂非金属元素采用的方法吸附掺杂和晶格掺杂。4.如权利要求1或2所述的一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述非金属元素为硼、氮、氧或者硫元素中的一种。5.如权利要求4所述的一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，所述掺杂方式为四价掺杂。6.如权利要求4所述的一种基于二维碳材料的超级电容器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，在所述多孔石墨炔...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯光，莫唐明，王祯祥，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：