本發(fā)明涉及一種高比電容(bc)xnyoz材料及其合成方法。

背景技術(shù)：

由于c和bn在結(jié)構(gòu)和相變規(guī)律等方面的相似性，又因它們某些物理性質(zhì)存在極大的差異，人們期望將兩者結(jié)合起來(lái)獲得一種新的具有特殊的力、熱、電、光等性能的材料。具備兩種材料優(yōu)點(diǎn)的新型三元bcn材料應(yīng)運(yùn)而生。人們通常將此類(lèi)三元bcn材料看作石墨網(wǎng)絡(luò)中部分碳原子被硼或氮原子取代的產(chǎn)物，其形態(tài)結(jié)構(gòu)雖與碳納米管有相似之處，但它具有比碳納米管更優(yōu)異的機(jī)械性能和電學(xué)性能，而且其直徑對(duì)其機(jī)械性能和電學(xué)性能的影響甚小。因此，(bc)xnyoz材料在復(fù)合材料、磁性材料、發(fā)光材料和電子材料諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

雖然(bc)xnyoz材料具有許多優(yōu)良性質(zhì)，但制約其應(yīng)用的瓶頸在于其制備困難，合成產(chǎn)率較低，而且合成過(guò)程難以控制。現(xiàn)有技術(shù)中，制備(bc)xnyoz材料的主要方法有電弧放電法、等離子體蒸發(fā)法、熱絲氣相沉積法和高溫高壓法等，并在不同的制備條件下，制備出了形態(tài)各異和元素分布不同的硼碳氮三元化合物或硼碳氮氧化合物。其中高溫高壓方法最為成熟，目前為止，利用這種方法，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了例如：立方氮化硼的產(chǎn)業(yè)化。但是，綜合分析該方法不難看出，制備過(guò)程仍然需要使用極端條件，例如溫度高于1000℃下還需人工加壓，因而對(duì)設(shè)備提出了十分苛刻的要求，這直接導(dǎo)致對(duì)設(shè)備需求高，產(chǎn)品價(jià)格居高不下；此外，用高溫高壓的制備方法其產(chǎn)物缺陷較多，晶粒粒度可調(diào)范圍窄，從而產(chǎn)物的比電容難以達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的范圍，在其應(yīng)用于超級(jí)電容器儲(chǔ)存電荷材料方面受限。

前人的研究主要集中在c和bn具有理想化學(xué)配比的bc2n化合物。理論上，通過(guò)改變c、b、n的配比、甚至加入o的配比，可設(shè)計(jì)出不同組分的bcn材料或bcno材料。隨著制備技術(shù)的進(jìn)步，開(kāi)發(fā)一種反應(yīng)條件溫和、操作簡(jiǎn)單、成本低的合成方法制備高比電容的(bc)xnyoz材料就具有重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供了一種高比電容(bc)xnyoz材料及其合成方法，解決了上述背景技術(shù)中高溫高壓、制備條件苛刻、工藝復(fù)雜、產(chǎn)品比電容不穩(wěn)定等問(wèn)題。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：提供了一種高比電容(bc)xnyoz材料的合成方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理混合溶液：將含b原料和含cn原料加入溶劑中進(jìn)行超聲溶解，得到混合溶液；所述含b原料包括硼氫化鈉、納米硼粉、硼酸、硼氫化鉀；所述含cn原料包括三聚氰胺、1,3,5-均三嗪、吡嗪、2，4，6-三(2-吡啶基)三嗪、三聚氯氰；

(2)制備粗產(chǎn)物溶液：將上述混合溶液與催化劑混合，放入密閉的反應(yīng)釜中，在溫度為150-250℃下加熱5-30h，經(jīng)自然冷卻至室溫，得到粗產(chǎn)物溶液；

(3)制備粗產(chǎn)物粉末：分離出上述粗產(chǎn)物溶液中的固體，在稀有氣體保護(hù)下二段加熱，第一段加熱溫度為100-300℃，加熱時(shí)間為1-2h，第二段加熱溫度為700-900℃，加熱時(shí)間為1-2h，將加熱除去多余水分的固體充分研磨，得到粗產(chǎn)物粉末；

(4)制備(bc)xnyoz材料：用ph值為2-6酸洗滌上述粗產(chǎn)物粉末，之后用溫度為30-80℃的去離子水洗滌1-10次；將洗滌后的產(chǎn)物在30-100℃的溫度下烘干，得到(bc)xnyoz材料，其中3≤x≤9，0.5≤y≤1，0≤z≤9。

在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述溶劑包括水、氨水、乙二胺、乙醇、乙二醇、乙腈。

在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述催化劑包括co、ni、fe。

本發(fā)明還提供了一種高比電容(bc)xnyoz材料，所述(bc)xnyoz材料，其中3≤x≤9，0.5≤y≤1，0≤z≤9所述(bc)xnyoz材料尺寸為1-10μm，比電容為400-1000f/g。

在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述(bc)xnyoz材料為相互堆疊的薄片狀、褶皺球狀或晶絲狀。

本技術(shù)方案與背景技術(shù)相比，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.本發(fā)明的合成方法無(wú)需外部加壓，制備溫度低，反應(yīng)條件溫和；

2.本發(fā)明的合成方法原料取用簡(jiǎn)單，無(wú)需做過(guò)多的預(yù)處理或制備前驅(qū)體，工藝簡(jiǎn)單；

3.b、c和n原子在催化劑金屬顆粒中溶解、擴(kuò)散和析出，使得其具有穩(wěn)定的晶型；催化劑的應(yīng)用減少了b、c、n受范德華力作用后在液相中團(tuán)聚的現(xiàn)象，使產(chǎn)物分散效果好，提純方便，尺寸可控；

4.本發(fā)明的產(chǎn)品(bc)xnyoz材料，其中3≤x≤9，0.5≤y≤1，0≤z≤9，具有穩(wěn)定且高的比電容，其值可達(dá)到400-1000f/g。

附圖說(shuō)明

圖1繪示了本發(fā)明實(shí)施例1制備樣品的掃描電鏡照片；

圖2繪示了本發(fā)明實(shí)施例1制備樣品的循環(huán)伏安曲線；

圖3繪示了本發(fā)明實(shí)施例1制備樣品的充放電曲線；

圖4繪示了本發(fā)明實(shí)施例2制備樣品的紅外光譜圖；

圖5繪示了本發(fā)明實(shí)施例3制備樣品的掃描電鏡照片；

圖6繪示了本發(fā)明實(shí)施例4制備樣品的掃描電鏡照片；

圖7繪示了本發(fā)明實(shí)施例5制備樣品的掃描電鏡照片；

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例與附圖具體說(shuō)明本發(fā)明的內(nèi)容：

實(shí)施例1

一種高比電容(bc)xnyoz材料的合成方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理混合溶液：將硼酸和2,4,6-三(2-吡啶基)三嗪加入乙二醇溶劑中進(jìn)行超聲溶解5min，得到混合溶液；上述組分的配方比例為3.5g:1g:10ml。

(2)制備粗產(chǎn)物溶液：將上述混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加入適量的泡沫鎳作為催化劑，鎖緊反應(yīng)釜放入烘箱中，設(shè)置烘箱的溫度為250℃，加熱24h后自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜，得到粗產(chǎn)物溶液；

(3)制備粗產(chǎn)物粉末：將上述粗產(chǎn)物溶液離心分離，將分離出的固體轉(zhuǎn)移到氧化鋁瓷舟中，把氧化鋁瓷舟放置在管式爐內(nèi)，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下加熱以除去剩余溶劑：

第一段加熱溫度為250℃，加熱時(shí)間為1h；

第二段加熱溫度為800℃，加熱時(shí)間為2h；

之后取出氧化鋁瓷舟，收集剩余的固體粉末，于研缽中研磨充分，得到粗產(chǎn)物粉末；

(4)制備(bc)xnyoz材料：用ph值為5鹽酸洗滌上述粗產(chǎn)物粉末，除去催化劑，之后用溫度為50℃的去離子水洗滌產(chǎn)物，除去產(chǎn)物中含有的鹽類(lèi)和未反應(yīng)完原料，洗滌次數(shù)為5-10次；將洗滌后的產(chǎn)物在50-100℃的溫度下烘干，得到樣品(bc)xnyoz材料，其中x＝6.3，y＝1，z＝7.3。

用傅里葉變換紅外光譜儀(nicoletis50)和x射線光電子能譜儀(thermoescalab250)測(cè)試本實(shí)施例方法制備的樣品，測(cè)試結(jié)果表明樣品中含有b-n、b-c、b-c-n鍵，說(shuō)明產(chǎn)物不是簡(jiǎn)單地物理混合物，已經(jīng)形成原子級(jí)別上的成鍵。

請(qǐng)參看圖1，在掃描電子顯微鏡(hitachi-su8000)上觀察本實(shí)施例樣品，可以看到相互堆疊的薄片狀樣品，尺寸范圍1-10μm。

請(qǐng)參看圖2和圖3，用電化學(xué)工作站(chi760e)測(cè)試本實(shí)施例樣品的比電容(電流密度為0.5a/g)，如圖所示，用公式cm＝i·δt/m·δv計(jì)算得出，比電容為931.5f/g。

實(shí)施例2

請(qǐng)參看圖4，本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于所述溶劑由乙二醇更改為乙二胺，配比不變，得到樣品(bc)xnyoz材料，其中x＝4，y＝1，z＝5。針對(duì)本實(shí)施例樣品進(jìn)行紅外光譜圖譜分析，發(fā)現(xiàn)樣品中存在對(duì)應(yīng)的b-n、b-c、b-c-n鍵。說(shuō)明產(chǎn)物已經(jīng)形成原子級(jí)別上成鍵。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于所述催化劑由泡沫鎳(ni)改變?yōu)閏o粉。針對(duì)本實(shí)施例樣品進(jìn)行分析，請(qǐng)參看圖5，在掃描電子顯微鏡(hitachi-su8000)上觀察本實(shí)施例樣品，發(fā)現(xiàn)合成出褶皺球狀的產(chǎn)物，催化劑影響產(chǎn)物形狀。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于：

(1)預(yù)處理混合溶液：將硼酸和吡嗪加入乙腈溶劑中進(jìn)行超聲溶解5min，得到混合溶液；上述組分的配方比例為3.1g:1g:10ml。

其余步驟與實(shí)施例1相同，得到樣品(bc)xnyoz材料，其中x＝3，y＝1，z＝1，發(fā)現(xiàn)樣品中c、n的百分含量均有所增加。請(qǐng)參看圖6，在掃描電子顯微鏡(hitachi-su8000)上觀察本實(shí)施例樣品，可以看到薄片狀樣品。

實(shí)施例5

一種高比電容(bc)xnyoz材料的合成方法，包括如下步驟：

(1)預(yù)處理混合溶液：將硼氫化鈉和2,4,6-三(2-吡啶基)三嗪加入乙二胺溶劑中進(jìn)行超聲溶解5min，得到混合溶液；上述組分的配方比例為2.1g:1g:10ml。

(2)制備粗產(chǎn)物溶液：將上述混合溶液轉(zhuǎn)移至反應(yīng)釜中，加入適量的泡沫鎳作為催化劑，鎖緊反應(yīng)釜放入烘箱中，設(shè)置烘箱的溫度為150℃，加熱7h后，升溫至250℃，加熱17h，之后自然冷卻至室溫，取出反應(yīng)釜，得到粗產(chǎn)物溶液；

(3)制備粗產(chǎn)物粉末：將上述粗產(chǎn)物溶液離心分離，將分離出的固體轉(zhuǎn)移到氧化鋁瓷舟中，把氧化鋁瓷舟放置在管式爐內(nèi)，在氮?dú)獾谋Ｗo(hù)下加熱以除去剩余溶劑：

第一段加熱溫度為250℃，加熱時(shí)間為1h；

第二段加熱溫度為800℃，加熱時(shí)間為2h；

之后取出氧化鋁瓷舟，收集剩余的固體粉末，于研缽中研磨充分，得到粗產(chǎn)物粉末；

(4)制備(bc)xnyoz材料：用ph值為5鹽酸洗滌上述粗產(chǎn)物粉末，除去催化劑，之后用溫度為50℃的去離子水洗滌產(chǎn)物，除去產(chǎn)物中含有的鹽類(lèi)和未反應(yīng)完原料，洗滌次數(shù)為5-10次；將洗滌后的產(chǎn)物在50-100℃的溫度下烘干，得到樣品(bc)xnyoz材料，其中x＝8，y＝1，z＝8。

請(qǐng)參看圖7，在掃描電子顯微鏡(hitachi-su8000)上觀察本實(shí)施例樣品合成出晶絲狀的產(chǎn)物。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。