[发明专利]一种含卤素或拟卤素富碳材料及其应用

说明书

本发明属材料应用领域，具体涉及一种新型的含卤素或拟卤素富碳材料及其应用。材料由苯环以及炔键构成，苯环的间位与炔键相连，苯环与苯环之间存在两个炔键，苯环的另外三个间位与卤素相连。具有该结构的薄膜其晶体结构是二维的，通过层间作用力组装成为三维薄膜，其在储能器件领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明属材料应用领域，具体涉及一种新型的含卤素或拟卤素富碳材料及其应用。

背景技术

自2004年石墨烯作为单层二维晶体被发现以来，二维材料在近十年引起了人们的广泛关注。由于二维材料通常具有比表面积大、较好的化学稳定性、电导率和热导率高、柔性以及厚度可控等优点，使其在光电子学、自旋电子学、催化、化学和生物传感器、超级电容器、太阳能电池以及锂离子二次电池等领域展现了优异的性能（F. Bonaccorso, L.Colombo, G. Yu, M. Stoller, V. Tozzini, A. C. Ferrari, R. S. Ruoff, V.Pellegrini, Science 2015, 347, 1246501.）。目前二维材料的合成方式仍主要是采用自上而下剥离的方法，这也就决定了目前所研究的二维材料主要为自然界存在的物质，限定了我们所合成材料的空间。另一方面，目前已知的二维材料往往具有致密的分子层状结构，这也就使得离子、气体、液体等物质很难从其层间穿过，进而影响反应动力学（M. Xu, T.Liang, M. Shi, H. Chen, Chem. Rev. 2013, 113, 3766.）。因此，采用新的合成方法进而设计出新的二维材料将大大拓展二维材料的研究领域。石墨炔正是在这种需求下被合成出来。石墨炔是一种采用偶联法合成的全新碳材料，其结构中除了苯环之外还有炔键的成分，这也使其层状结构中含有孔道（G. Li, Y. Li, H. Liu, Y. Guo, Y. Li, D. Zhu,Chem. Commun. 2010, 46, 3256；李玉良，一种制备石墨炔薄膜的方法，中国专利：201010102048.5，2010-01-27。）。这种炔键的成分以及孔道的结构将赋予这种新型的二维碳材料独特的性质，如较小的禁带宽度以及较好的离子和分子透过性，另外，由于炔键的存在，这种材料对金属离子还有一定的亲和性。基于以上性质，石墨炔在多个领域初步展现出了优异的性能，如光催化、电子、太阳能电池、锂离子二次电池和电容器等领域（C. Huang,S. Zhang, H. Liu, Y. Li, G. Cui, Y. Li, Nano Energy 2015, 11, 481；李玉良，石墨炔在金属离子电池和电容器中的应用，中国专利：201410119705.5，2014-03-27。）。但石墨炔在电池应用过程中也会出现两方面问题，其一，石墨炔本身结构中的孔径较小，且易于发生Bernal堆积，使得二维结构中的孔道易于堵塞，进而抑制离子的扩散和存储。其二，石墨炔为全碳材料，能量密度较低。在此基础上，我们设计合成了一种新型含卤素或拟卤素富碳材料，这种种新型含卤素或拟卤素富碳材料与石墨炔相比，有三方面的优势，首先，通过改变单体的结构制备了具有更大孔道的二维材料，给锂、钠等离子的传输提供了便利。其次，通过引入碳卤键不仅提高了材料的柔性，更重要的是引入了碳卤键活性位点，这也为提高新型含卤素或拟卤素富碳材料的能量密度打下了坚实的基础。最后，由于碳卤键存在，新型含卤素或拟卤素富碳材料与含卤素电解液有更好的界面相容性，有利于提高材料的性能。实验结果表明，新型的含卤素或拟卤素富碳材料的能量密度和功率密度较石墨炔相比得到了大幅度的提高(参见应用例1)。

发明内容

本发明的目的是合成一种结构中含有较大离子或分子传输孔道并且拥有更多活性位点的含卤素或拟卤素富碳材料及其应用。

为实现上述目的，本发明采用技术方案为：

一种含卤素或拟卤素富碳材料，材料为具有自支撑能力的结构，禁带宽度为0.5-3eV，电导率为0.002-2×10^-3 S m^-1，该材料由单体三炔基苯制备而成，其结构中存在苯环、炔键和碳卤键，以及由三种键所构成的六边形孔道，孔径为1.23-2 nm。