一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片及熔碱法制备方法和应用

本发明属于电容器材料，具体涉及一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片及熔碱法制备方法和应用。

背景技术：

1、为应对能源短缺和环境污染日益加剧的窘境，各国对新型储能器件的研发攻关已提上日程。其中，锂离子电池作为一种在技术上相对成熟的储能器件，已广泛应用于工业化生产的众多方面。而为弥补锂离子电池在功率密度与循环寿命上的不足，针对超级电容器的研究与市场化进程已然兴起，并有望成为一种补充锂离子电池的重要技术手段。

2、在超级电容器的诸多电极材料中，衍生于传统碳材料的硼碳氮（bcn）材料已逐渐成为能源存储与转化领域的研究热点。bcn材料为b、c与n元素构成的三元相体系，通过改变各元素含量可实现对其光学、化学、电学等诸多性质的调控。在电化学储能方面，高碳含量的bcn材料继承了传统碳材料的高导电性，与此同时b、n杂原子的存在为碳体系引入了更丰富的表面缺陷与电化学活性位点，此外杂原子还可通过额外的电容反应（如b在h+的化学吸附及后续反应中具有电化学活性，n可形成吡啶n与吡咯n位点等）贡献更多的电容量。

3、目前制备bcn材料的方法主要包括气相合成法与固相合成法等，气相合成法制备的bcn薄膜对实验环境要求较高且较难实现大规模生产，固相合成法制备的bcn材料多为存在严重堆叠的层状材料，其比表面积较小、与电解液浸润性较差且无法在电化学反应中充分暴露其活性位点。与此同时，bcn材料具有较强的层间耦合作用与较低的面内稳定能，因而一般认为采用传统的自上而下的方法剥离出bcn纳米片是“几乎不可能”的（zhang m,zhou m, luo z, et al. molten salt assisted assembly growth of atomically thinboron carbon nitride nanosheets for photocatalytic h2evolution[j]. chem.commun., 2020, 56: 2558）。

4、由此可见，寻找一种简洁有效且具备量产大尺寸bcn纳米片潜力的合成工艺已成为亟待解决的技术难题，同时这也对推进bcn材料在储能领域的研究应用进程具有深远意义。

技术实现思路

1、针对现有技术中大尺寸bcn纳米片制备工艺复杂，纳米片难以剥离的问题，本发明提供了一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片及熔碱法制备方法和应用，利用本发明制备方法可直接获得大尺寸bcn纳米片，避免了后续繁琐的剥离工艺，具有操作简单、高效便捷、具备工业化规模生产潜力等诸多优点。

2、本发明通过以下技术方案实现：

3、一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔碱法制备方法，其包括以下步骤：

4、（1）将硼源、氮源与碳源混合得混合原料，加入强碱和水，搅拌得白色浆料；

5、（2）步骤（1）中的白色浆料进行水热反应，得黑色粘稠浆料；

6、（3）步骤（2）中的黑色粘稠浆料在氮气气氛下煅烧，降温后得高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片。

7、进一步地，步骤（1）中所述的硼源为硼酸、氧化硼、硼酸铵中的一种以上；所述的碳源为葡萄糖、膨胀石墨、蠕虫石墨、石墨烯中的一种以上；所述的氮源为尿素、碳酸氢铵、双氰胺中的一种以上；所述的强碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡中的一种以上。

8、进一步地，步骤（1）中所述的硼源、氮源和碳源的摩尔比为1~9: 1~9: 1~9，混合原料与强碱、水的质量比为3~20：4~10：1~10。

9、进一步地，步骤（1）中搅拌的时间为0.5~1h。

10、进一步地，步骤（2）中水热反应的温度为160~200℃，水热反应时间为12~24h。

11、进一步地，步骤（3）中煅烧温度为800~1100℃，煅烧时间为5~9h。

12、进一步地，步骤（3）中升温速率为10℃/min，自然降温。

13、本发明中，所述的熔减法制备方法制备得到的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片。

14、本发明中，所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片在电容器材料中的应用。

15、本发明取得的有益效果：

16、本发明在固相合成的前驱体中加入强碱，进而在水热与煅烧工艺中对bcn材料的原位生长过程进行调控，通过简洁的两步反应即可直接获得大尺寸bcn纳米片，避免了后续繁琐的剥离工艺，具有操作简单、高效便捷、具备工业化规模生产潜力等诸多优点。

技术特征：

1.一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔碱法制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的硼源为硼酸、氧化硼、硼酸铵中的一种以上；所述的碳源为葡萄糖、膨胀石墨、蠕虫石墨、石墨烯中的一种以上；所述的氮源为尿素、碳酸氢铵、双氰胺中的一种以上；所述的强碱为氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钡中的一种以上。

3.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述的硼源、氮源和碳源的摩尔比为1~9: 1~9: 1~9，混合原料与强碱、水的质量比为3~20：4~10：1~10。

4.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（1）中搅拌的时间为0.5~1h。

5.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（2）中水热反应的温度为160~200℃，水热反应时间为12~24h。

6.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（3）中煅烧温度为800~1100℃，煅烧时间为5~9h。

7.根据权利要求1所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔减法制备方法，其特征在于，步骤（3）中升温速率为10℃/min，自然降温。

8.一种权利要求1~7任一项所述的熔减法制备方法制备得到的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片。

9.一种权利要求8所述的高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片在电容器材料中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片的熔碱法制备方法，属于电容器材料技术领域。其制备方法为：将硼源、氮源与碳源混合得混合原料，加入强碱和水，搅拌得白色浆料；白色浆料进行水热反应，得黑色粘稠浆料；黑色粘稠浆料在氮气气氛下煅烧，降温后得高性能超级电容器电极材料硼碳氮纳米片。本发明制备方法可直接获得大尺寸BCN纳米片，避免了后续繁琐的剥离工艺，具有操作简单、高效便捷、具备工业化规模生产潜力等诸多优点，可以应用在电容器材料。

技术研发人员：史栋,杨铭志,许扬,郝霄鹏,吴拥中,邵永亮,解宏翔
受保护的技术使用者：齐鲁工业大学（山东省科学院）
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18