本發明屬(shu)于電極材料(liao)，具體涉及一(yi)種缺陷誘導合(he)(he)成多孔碳納(na)米復合(he)(he)材料(liao)的制(zhi)備方法(fa)及應(ying)用。

背景技術：

1、在能(neng)源存(cun)(cun)儲領域，超(chao)級電容(rong)(rong)器因其(qi)(qi)高(gao)功率密度和長(chang)壽命等(deng)特性(xing)而(er)備受關(guan)注。電極材料是決定(ding)超(chao)級電容(rong)(rong)器性(xing)能(neng)的關(guan)鍵因素(su)。傳統的電極材料，如(ru)活(huo)(huo)性(xing)碳和金屬氧化(hua)物(wu)，雖然在某些(xie)方面表現出色，但仍存(cun)(cun)在局(ju)限性(xing)。例如(ru)，活(huo)(huo)性(xing)碳具(ju)有較高(gao)的比表面積，但其(qi)(qi)比電容(rong)(rong)較低；金屬氧化(hua)物(wu)如(ru)mno2具(ju)有較高(gao)的比電容(rong)(rong)，但導電性(xing)差，且在充放電過程(cheng)中容(rong)(rong)易發生體積膨脹(zhang)，導致(zhi)結構(gou)破(po)壞(huai)和性(xing)能(neng)衰減。

2、為了解決(jue)這些問題(ti)，研究人員開始探索將(jiang)金屬(shu)氧化物與碳材(cai)料復(fu)合的(de)(de)策略。如(ru)：(1)化學氣(qi)相沉(chen)積(ji)法，該(gai)(gai)方法能(neng)(neng)夠(gou)在(zai)各(ge)種基底上精(jing)確(que)(que)控(kong)制(zhi)納(na)(na)米(mi)顆(ke)粒(li)(li)的(de)(de)尺寸和(he)(he)(he)形(xing)(xing)狀，適用(yong)于(yu)大面積(ji)均勻涂層(ceng)的(de)(de)制(zhi)備，但(dan)(dan)通常需要高溫和(he)(he)(he)高真空(kong)環(huan)境，能(neng)(neng)耗(hao)較(jiao)高，且(qie)對(dui)前驅體的(de)(de)選擇(ze)(ze)有一定限制(zhi)，設備成本(ben)和(he)(he)(he)操作成本(ben)都比較(jiao)高；(2)溶(rong)(rong)液浸漬法，該(gai)(gai)方法操作簡單(dan)，成本(ben)較(jiao)低，可以(yi)(yi)(yi)通過改(gai)變溶(rong)(rong)液濃度(du)和(he)(he)(he)ph值來調節納(na)(na)米(mi)顆(ke)粒(li)(li)的(de)(de)分布和(he)(he)(he)尺寸，但(dan)(dan)可能(neng)(neng)難以(yi)(yi)(yi)實現納(na)(na)米(mi)顆(ke)粒(li)(li)的(de)(de)高度(du)均勻分布，反應(ying)條(tiao)件(如(ru)溫度(du)、時間(jian))對(dui)最終產品的(de)(de)性能(neng)(neng)影響較(jiao)大；(3)溶(rong)(rong)劑熱法，該(gai)(gai)反應(ying)在(zai)封閉容器中進行，可以(yi)(yi)(yi)避免氧氣(qi)和(he)(he)(he)水分的(de)(de)干擾，能(neng)(neng)夠(gou)制(zhi)備多種形(xing)(xing)態的(de)(de)納(na)(na)米(mi)結構，但(dan)(dan)反應(ying)時間(jian)較(jiao)長，溶(rong)(rong)劑的(de)(de)選擇(ze)(ze)和(he)(he)(he)回收可能(neng)(neng)帶來環(huan)境和(he)(he)(he)成本(ben)問題(ti)；(4)電化學沉(chen)積(ji)法，可以(yi)(yi)(yi)在(zai)室溫下(xia)進行，能(neng)(neng)耗(hao)較(jiao)低，通過改(gai)變電化學參數可以(yi)(yi)(yi)精(jing)確(que)(que)控(kong)制(zhi)納(na)(na)米(mi)顆(ke)粒(li)(li)的(de)(de)沉(chen)積(ji)，但(dan)(dan)可能(neng)(neng)需要復(fu)雜的(de)(de)電化學設備，沉(chen)積(ji)速率可能(neng)(neng)較(jiao)慢。

3、綜上，盡管已有研究報道了金屬氧化物(wu)與碳復合材料的(de)制(zhi)備(bei)，但這些方法往往制(zhi)備(bei)工(gong)藝復雜、耗(hao)時較長、且(qie)在納米顆粒的(de)均勻(yun)分散和防止團(tuan)聚方面存在挑戰。

4、mn3o4作為一種(zhong)具有高比電容的(de)金屬氧化物，受(shou)到了(le)(le)廣泛關注。然而，mn3o4的(de)導電性(xing)差和(he)比表(biao)面積小限制(zhi)了(le)(le)其(qi)在超級(ji)電容器(qi)中的(de)應用。為了(le)(le)改善這些性(xing)能(neng)，研究者們嘗試通過(guo)構建mn3o4與碳(tan)材(cai)料的(de)復合(he)(he)(he)(he)(he)材(cai)料來提高其(qi)電化學性(xing)能(neng)。例如，專(zhuan)利cn103647068a采用了(le)(le)液(ye)相反(fan)應結合(he)(he)(he)(he)(he)高溫處理的(de)方(fang)法(fa)(fa)來制(zhi)備mn3o4/多壁碳(tan)納米管復合(he)(he)(he)(he)(he)材(cai)料，但在反(fan)應過(guo)程中材(cai)料顆粒的(de)均勻性(xing)難以控制(zhi)，影響最終材(cai)料的(de)性(xing)能(neng)。此外，專(zhuan)利cn111126459a描述了(le)(le)一種(zhong)基于水熱合(he)(he)(he)(he)(he)成的(de)mn3o4/c復合(he)(he)(he)(he)(he)材(cai)料的(de)制(zhi)備方(fang)法(fa)(fa)，盡管這種(zhong)方(fang)法(fa)(fa)能(neng)夠在一定程度上控制(zhi)mn3o4的(de)形(xing)貌和(he)尺寸，但其(qi)反(fan)應條件苛刻，且(qie)難以精確控制(zhi)mn3o4在碳(tan)基底(di)上的(de)分布，可能(neng)導致復合(he)(he)(he)(he)(he)材(cai)料的(de)性(xing)能(neng)不(bu)一致。

技術實現思路

1、本(ben)發明針對(dui)現有技術的不(bu)足(zu)，提供一(yi)種(zhong)缺陷(xian)誘導(dao)合成(cheng)多孔碳納米復(fu)合材料的制(zhi)備方法及應用。

2、本(ben)發明通過以下技術方案實現：

3、一種缺陷誘導(dao)合成多孔碳納米復合材料的制備(bei)方法，包括以下步(bu)驟(zou)：

4、a.將鄰(lin)菲(fei)羅啉(lin)和(he)氫氧化鉀混合(he)并研磨均勻，進行(xing)碳(tan)化處理，冷卻后經洗滌干燥后得到氮摻雜(za)的多孔碳(tan)材料(nhpc)；

5、b.將(jiang)nhpc進行高溫(wen)處理(li)，移除材料(liao)(liao)中的雜原子引入本征缺(que)陷，并自然(ran)冷卻至室溫(wen)，得到富(fu)含本征缺(que)陷的碳材料(liao)(liao)(dhpc)；

6、c.將(jiang)dhpc溶于乙二(er)醇溶液中，制(zhi)備濃度為0.5mg/ml的(de)dhpc乙二(er)醇懸浮液；

7、d.緩慢滴加濃度為0.5m的乙酸錳/乙二醇溶液至懸浮液中(zhong)；

8、e.逐(zhu)漸添加氫氧化鈉/乙二醇溶液(ye)至步驟d得(de)到的混合物(wu)中，調節ph值至8左右；

9、f.將混合物(wu)轉移到(dao)微(wei)波(bo)爐反(fan)應(ying)器中，微(wei)波(bo)功率設(she)置為700w，反(fan)應(ying)時間(jian)設(she)定為90s；

10、g.將微波(bo)反應后的混合物(wu)過(guo)濾洗滌、真空干(gan)燥(zao)后得到mn3o4/dhpc復(fu)合材料(liao)。

11、進一(yi)步，所(suo)述步驟a中(zhong)鄰(lin)菲羅(luo)啉和氫氧化鉀(jia)的質量比為1:4。

12、進(jin)一步，所述步驟a中(zhong)碳化處理具體(ti)為(wei)：在惰性氣氛(fen)中(zhong)以5℃?min-1的升(sheng)溫(wen)速(su)率加熱(re)至800℃并保(bao)持2h。

13、進(jin)一步(bu)，所(suo)述步(bu)驟b中碳化(hua)處理具體為：在n2保護(hu)下以5℃?min-1的升(sheng)溫速率升(sheng)溫至(zhi)1150℃，保溫2h。

14、本發(fa)明(ming)還(huan)提供(gong)了一種缺陷誘導合成多孔(kong)碳(tan)納米(mi)復合材(cai)料，采(cai)用上述(shu)所述(shu)的制備方法獲得。

15、本發明還提供了所述缺陷誘(you)導(dao)合(he)(he)成多孔碳納(na)米復合(he)(he)材料的應用(yong)，將該缺陷誘(you)導(dao)合(he)(he)成多孔碳納(na)米復合(he)(he)材料作為電化學儲能設備的電極材料。

16、相(xiang)對于現有技(ji)術，本發明具有的有益效果為：

17、1、提高分(fen)散(san)均(jun)勻(yun)性：現有技術(shu)中，金屬納米(mi)顆粒(li)(li)在多孔碳(tan)(tan)基底(di)上(shang)的(de)分(fen)散(san)往往不夠均(jun)勻(yun)，導致復(fu)合材料的(de)性能受限。本發明(ming)通(tong)過缺(que)陷(xian)誘導機制，實現了金屬納米(mi)顆粒(li)(li)在納米(mi)籠(long)(long)狀多孔碳(tan)(tan)基底(di)上(shang)的(de)均(jun)勻(yun)分(fen)布(bu)。利用納米(mi)籠(long)(long)狀多孔碳(tan)(tan)表面的(de)本征缺(que)陷(xian)作(zuo)為成核位點，有效(xiao)促進金屬納米(mi)顆粒(li)(li)的(de)均(jun)勻(yun)分(fen)散(san)，從(cong)而提高復(fu)合材料的(de)電化學(xue)活性和穩(wen)定性。

18、2、增(zeng)強(qiang)錨(mao)定(ding)活(huo)性(xing)：在現有(you)技術中，金屬氧(yang)化物納米顆(ke)粒與碳材料的(de)結合(he)力較(jiao)弱，容易在電化學(xue)反應過程中脫落。本發明通過缺陷(xian)誘導策略，增(zeng)強(qiang)了(le)納米顆(ke)粒與多孔碳基底之間的(de)相互作用，提高了(le)錨(mao)定(ding)活(huo)性(xing)，從而增(zeng)強(qiang)了(le)復(fu)合(he)材料的(de)結構穩定(ding)性(xing)和循環(huan)壽(shou)命。

19、3、簡化(hua)合成過(guo)程：傳統合成方法(fa)通(tong)常步(bu)驟繁瑣(suo)、耗時(shi)較(jiao)長，且難(nan)以精確控制(zhi)納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)的尺(chi)寸和分(fen)布。本(ben)發(fa)明(ming)采(cai)用微波輔助合成法(fa)，簡化(hua)了制(zhi)備(bei)過(guo)程，縮短了反應時(shi)間(jian)，同時(shi)通(tong)過(guo)微波加熱的均勻性實(shi)現了對納(na)米(mi)顆(ke)粒(li)尺(chi)寸和分(fen)布的精確控制(zhi)。這種方法(fa)不僅操作簡便，而且能夠在較(jiao)短的時(shi)間(jian)內(nei)獲得高(gao)質(zhi)量的復合材料，有利于降低生產成本(ben)并提高(gao)生產效率。

20、4、提升(sheng)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)：現有技術(shu)中的(de)(de)(de)復合材(cai)料(liao)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)受限于(yu)金屬(shu)(shu)納米(mi)顆(ke)粒的(de)(de)(de)分散性(xing)(xing)和(he)(he)與(yu)(yu)碳基底(di)的(de)(de)(de)結合力。本發明通(tong)過缺陷誘導和(he)(he)均勻分散的(de)(de)(de)金屬(shu)(shu)納米(mi)顆(ke)粒，以及優化(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)三維多孔網(wang)絡結構，顯著提升(sheng)了復合材(cai)料(liao)的(de)(de)(de)比電(dian)(dian)容、能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)密(mi)度和(he)(he)功(gong)率(lv)密(mi)度，為(wei)高性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)設(she)備(bei)提供了可能(neng)(neng)(neng)(neng)性(xing)(xing)。由于(yu)金屬(shu)(shu)納米(mi)顆(ke)粒與(yu)(yu)多孔碳基底(di)之間的(de)(de)(de)緊密(mi)結合，本發明所(suo)制備(bei)的(de)(de)(de)復合材(cai)料(liao)展現出更(geng)(geng)(geng)優異的(de)(de)(de)電(dian)(dian)化(hua)(hua)(hua)學(xue)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)，包(bao)括更(geng)(geng)(geng)高的(de)(de)(de)比電(dian)(dian)容、更(geng)(geng)(geng)好的(de)(de)(de)循環穩定性(xing)(xing)以及更(geng)(geng)(geng)佳的(de)(de)(de)充放電(dian)(dian)性(xing)(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)。這對于(yu)超級電(dian)(dian)容器等能(neng)(neng)(neng)(neng)量(liang)存儲(chu)設(she)備(bei)來說尤為(wei)重要(yao)，因為(wei)它們要(yao)求電(dian)(dian)極材(cai)料(liao)具有高的(de)(de)(de)儲(chu)能(neng)(neng)(neng)(neng)能(neng)(neng)(neng)(neng)力和(he)(he)長的(de)(de)(de)使(shi)用(yong)壽命。

21、5、實(shi)現結構(gou)與(yu)(yu)性(xing)能的(de)(de)優化：本發(fa)明缺(que)陷(xian)(xian)誘(you)導(dao)策略增強了金屬納米(mi)顆(ke)粒(li)與(yu)(yu)多孔碳基(ji)底之間的(de)(de)相互作用，從而提(ti)高了復合材料的(de)(de)結構(gou)穩定性(xing)。這意味著(zhu)在電化學(xue)反(fan)應過程中，金屬納米(mi)顆(ke)粒(li)不易脫落，有助于維持電極的(de)(de)結構(gou)完整(zheng)性(xing)，延(yan)長(chang)設(she)備(bei)的(de)(de)使用壽命。本發(fa)明不僅關注于復合材料的(de)(de)合成，還通過深入研(yan)究缺(que)陷(xian)(xian)誘(you)導(dao)機制和(he)納米(mi)顆(ke)粒(li)與(yu)(yu)多孔碳的(de)(de)相互作用，實(shi)現了材料結構(gou)與(yu)(yu)電化學(xue)性(xing)能之間的(de)(de)優化匹配，為設(she)計和(he)制備(bei)高性(xing)能復合材料提(ti)供了新的(de)(de)理論指(zhi)導(dao)和(he)實(shi)踐方(fang)法。

22、綜上(shang)所述，本(ben)發明(ming)專利的技(ji)術(shu)方案針對現有(you)技(ji)術(shu)中(zhong)存在(zai)的分(fen)散(san)不(bu)均勻(yun)、結(jie)合(he)力弱、合(he)成(cheng)過程復(fu)(fu)(fu)雜和(he)電化(hua)學(xue)性能有(you)限(xian)等問(wen)題進行了有(you)效(xiao)的改進，為(wei)制備高性能的金(jin)屬氧化(hua)物/多孔碳復(fu)(fu)(fu)合(he)材(cai)料提供(gong)了一(yi)種新(xin)的策略(lve)。本(ben)發明(ming)通過一(yi)步快速合(he)成(cheng)，成(cheng)功(gong)將mn3o4納(na)米顆粒均勻(yun)錨(mao)定在(zai)富(fu)缺(que)陷的多孔碳材(cai)料上(shang)，從而(er)獲得了具有(you)優異電化(hua)學(xue)性能的mn3o4/c復(fu)(fu)(fu)合(he)材(cai)料。與已有(you)技(ji)術(shu)相比，本(ben)發明(ming)的方法具有(you)反(fan)應時間短(duan)、操作簡便、條件溫和(he)、易于控制成(cheng)核(he)并抑制核(he)生長、氧化(hua)物分(fen)散(san)均勻(yun)以及生產效(xiao)率高等優點。此外，本(ben)發明(ming)的復(fu)(fu)(fu)合(he)材(cai)料展現出更高的比電容(rong)和(he)良好的循環穩定性，為(wei)高性能超級電容(rong)器的電極(ji)材(cai)料提供(gong)了新(xin)的解決方案。