本發(fā)明涉及二維碳片電極材料制備，具體涉及一種二維碳片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、電容脫鹽是以電化學(xué)電容行為(ecb)為核心機制的一種脫鹽技術(shù)。其中，電化學(xué)電容行為是源自于外加電場在電極表面吸附電解液中帶電離子的電容機制。該機制具有吸附速率快且高效、可逆性高等優(yōu)勢。因此其衍生的電容去離子(cdi)實用型技術(shù)同樣具有這些優(yōu)勢。在cdi中，電極是影響兩者性能的主要因素，電極主要由活性材料、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑和電極基體等組成。其中活性材料是離子吸附的主體材料，是電極中發(fā)揮電容性能的主要因素。其他部分并不起電容吸附的作用。因此，通過減少粘結(jié)劑等添加劑的使用來提高活性材料在電極中的占比是提升電極整體的電容性能的有效策略之一。

2、一直以來，二維碳材料都是具有多種優(yōu)勢的典型電容材料，其中，當(dāng)下以生物質(zhì)為前驅(qū)體制備二維碳材料大多采用固體生物質(zhì)，如zhao等人(j.mater.chem.a,2017,5,15243-15252)以木棉纖維為前驅(qū)體，經(jīng)碳化木棉纖維分解成二維碎片，通過koh活化后制備出具有高比表面積和多孔隙率的二維碳納米片材料。chen等人(mater.lett.,2018,12,187-190)基于白千層樹皮前驅(qū)體，經(jīng)碳化后，納米紙狀的白千層樹皮可以直接轉(zhuǎn)化為二維碳納米片。已有的大多數(shù)報道都涉及強堿高腐蝕鹽的使用，這些操作不僅對設(shè)備和環(huán)境產(chǎn)生較大危害，并具有高危險性和高能耗的缺點。當(dāng)然，一些腐蝕性較低的活化劑也被開發(fā)出來，但其同樣存在一些缺點，現(xiàn)有二維碳材料提高其電容性能的同時，會使導(dǎo)電性能下降。

3、研究一種有高效電容性能和導(dǎo)電性能的二維碳材料具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的二維碳材料不能兼具電容性能和導(dǎo)電性能的問題，提供一種二維碳片及其制備方法和應(yīng)用。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明第一方面提供一種二維碳片，其中，該二維碳片含有片層結(jié)構(gòu)，還含有摻雜元素fe、b和n，其中，以所述二維碳片的總量為基準，所述摻雜元素fe的含量為0.8-3.5wt％，所述摻雜元素b的含量為5-8.8wt％，所述摻雜元素n的含量為2.8-3.5wt％。

3、本發(fā)明第二方面提供一種二維碳片的制備方法，其中，包括如下步驟：

4、(1)將水、生物質(zhì)、硼源及鐵源混合，得到水凝膠；

5、(2)將水凝膠置于-5℃以下進行低溫靜置、低溫干燥得到氣凝膠；

6、(3)將所述氣凝膠進行碳化，得到所述二維碳片。

7、本發(fā)明第三方面提供一種所述的制備方法得到二維碳片。

8、本發(fā)明第四方面提供一種所述的二維碳片在制備電容器件中的應(yīng)用。

9、通過上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供一種二維碳片及其制備方法和應(yīng)用，至少具有如下有益效果：

10、(1)本發(fā)明通過fe、b、n陰陽離子共摻雜的碳納米片增強了材料的導(dǎo)電性和對溶液的親和性；多種陰陽離子摻雜也提高了衍生碳材料的贗電容性能，具有較好的比電容、倍率性能。二維納米結(jié)構(gòu)將確保摻雜缺陷衍生的活性位點高度暴露在材料表面，使其得到有效利用。

11、(2)本發(fā)明使用硼源輔助下的二維碳片的制備革新了傳統(tǒng)模板的劣勢，無需腐蝕劑或高溫融化等操作，只需在室溫下即可去除模板，進一步降低了工藝的操作難度和技術(shù)成本。將水凝膠體相中的水溶液在低溫下轉(zhuǎn)變?yōu)楸?，形成的冰膜板具有的體積差異，將對材料進行有效的塑形。硼源的使用增強了冰膜板對二維納米片厚度的可控性；冰模板則降低了硼源使用量，并且緩解了傳統(tǒng)硼源法在制備中產(chǎn)生大量氣體而對設(shè)備造成的損害。

12、(3)本發(fā)明得到的二維碳片在鈦網(wǎng)上可形成無粘結(jié)劑的自支撐電極，提高了活性材料在電極中的比例，同時也減少了電極漿料的制備操作，有效降低了電極制備工藝的復(fù)雜度，對實際應(yīng)用具有重要的意義。

13、(4)本發(fā)明在制備過程中無需有毒試劑或高壓等高危操作，對環(huán)境和設(shè)備要求較低。同時，與傳統(tǒng)的硼源制備法相比，使用輔助性冰模板有效降低了硼源的使用量，而且生長在碳前驅(qū)體中的冰晶初步構(gòu)建了基礎(chǔ)孔道和片層結(jié)構(gòu)，有效降低了硼源在高溫膨化中阻力。因此，在保證效益的同時，有效減少了硼源的使用量，降低了試劑成本。

技術(shù)特征：

1.一種二維碳片，其特征在于，該二維碳片含有片層結(jié)構(gòu)，還含有摻雜元素fe、b和n，其中，以所述二維碳片的總量為基準，所述摻雜元素fe的含量為0.8-3.5wt％，所述摻雜元素b的含量為5-8.8wt％，所述摻雜元素n的含量為2.8-3.5wt％。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二維碳片，其中，所述摻雜元素fe的含量為1.5-2.5wt％，所述摻雜元素b的含量為7-8wt％，所述摻雜元素n的含量為3-3.5wt％；

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的二維碳片，其中，所述二維碳片的片層厚度為50-100nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任意一項所述的二維碳片，其中，所述二維碳片的比電容為295-320f?g-1，所述二維碳片的倍率為78-88％。

5.一種二維碳片的制備方法，其特征在于，包括如下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的制備方法，其中，所述硼源選自硼酸、硼酸鹽和氧化硼中的一種或多種；

7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的制備方法，其中，所述生物質(zhì)和水的質(zhì)量比為1：6-10；

8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任意一項所述的制備方法，其中，步驟(2)中，所述低溫靜置的溫度為-15℃至-25℃，所述低溫靜置的時間為10-15h；

9.一種權(quán)利要求5-8中任意一項所述的制備方法得到二維碳片。

10.一種權(quán)利要求1-4和9中任意一項所述的二維碳片在制備電容器件中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及二維碳片電極材料制備技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種二維碳片及其制備方法和應(yīng)用。該二維碳片含有片層結(jié)構(gòu)，還含有摻雜元素Fe、B和N，其中，以所述二維碳片的總量為基準，所述摻雜元素Fe的含量為0.8?3.5wt％，所述摻雜元素B的含量為5?8.8wt％，所述摻雜元素N的含量為2.8?3.5wt％。本發(fā)明通過Fe、B、N陰陽離子共摻雜的碳納米片增強了材料的導(dǎo)電性和對溶液的親和性；多種陰陽離子摻雜也提高了衍生碳材料的贗電容性能。二維納米結(jié)構(gòu)將確保摻雜缺陷衍生的活性位點高度暴露在材料表面，使其得到有效利用。

技術(shù)研發(fā)人員：曹宗侖,孫杰,李海龍,王珺,楊晏泉,劉軼群,秦琪明,許志成,張祎旸,龔小芝
受保護的技術(shù)使用者：中國石油化工股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15