[發(fā)明專利]一種氮摻雜碳材料的制備方法

有效

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• 申請日: 2013-10-12
• 公開（公告）號: CN103730638A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊治政;王慧遠;王邦勇;戚文;王棟;盧輪
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學
• 主分類號: H01M4/1393
• 分類號: H01M4/1393;H01M4/38
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無機功能材料的制備方法，特別是涉及一種采用惰性氣氛下高溫煅燒制備含氮碳材料的方法，屬于無機先進納米材料制備工藝技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鋰離子電池具有電壓高，比容量大，放電電壓平穩(wěn)和安全性高等諸多優(yōu)點，已成為新型二次化學電源領(lǐng)域的研究與開發(fā)的熱點之一，其性能的改進主要依賴于正、負極活性材料。目前，商業(yè)化應(yīng)用的負極材料主要是石墨化碳材料，但碳材料的理論容量僅為372mAh/g，隨著社會的發(fā)展進步，傳統(tǒng)的石墨化碳材料已經(jīng)難以滿足人們對高容量鋰離子電池負極材料的需求。

與石墨相比，無定形碳的層間距較大，可加快鋰離子擴散，同時無定形碳各向同性的結(jié)構(gòu)特征也使鋰離子在其中可以自由擴散，石墨顆粒表層的無定形碳可以快速引導(dǎo)鋰離子進入石墨的層間，這都有利于提高電極的大電流充放電性能。無定形碳可以通過多種方法進行改性，以達到不同的效果。摻雜是一種常用的方法，通過摻雜氮或者硼元素，可以改變半導(dǎo)體材料的電子性質(zhì)。摻雜后的石墨碳材料能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電導(dǎo)率提高，因此摻雜后的石墨碳材料比原來石墨碳材料有更大的發(fā)展空間。蛋白質(zhì)中含有碳與氮元素，因此通過高溫惰性氣氛下煅燒蛋白質(zhì)會使其發(fā)生碳化反應(yīng)，最后只剩下氮摻雜的無定形碳。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種含氮碳材料的制備方法，該制備方法工藝簡單、成本低、制備的碳材料具有介孔結(jié)構(gòu)，碳材料中摻雜有氮元素，且可控制碳材料中氮元素含量，其復(fù)合材料為經(jīng)過此種碳材料修飾的復(fù)合材料，適合作為鋰離子電池負極材料。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：以雞蛋清溶液為原材料在缺氧狀態(tài)下高溫煅燒碳化形成氮摻雜碳材料，具體制備步驟包括：

（1）取新鮮蛋清液攪拌1-48小時均質(zhì)處理后過濾去除雜質(zhì)，按比例加入去離子水并攪拌混合均勻，控制水的含量為0-500%；

（2）向蛋清溶液中加入粉末二氧化錫，攪拌0.1-12小時后超聲至分散均勻；

（3）用水蒸汽加熱使雞蛋清分子變性收縮包覆到二氧化錫表面；

（4）離心、洗滌、干燥后在惰性氣氛下300-700℃煅燒1-6小時，獲得氮摻雜碳與二氧化錫復(fù)合材料；

步驟（1）所述的雞蛋清也可以采用其它蛋白質(zhì)或肽類物質(zhì)的水溶液代替，產(chǎn)物碳材料仍富含氮，且其復(fù)合材料的制備方法仍具有適用性；

步驟（1）所述的蛋清液，可以通過加入葡萄糖并調(diào)控蛋清與葡萄糖之間質(zhì)量比，達到調(diào)控產(chǎn)物中碳材料中氮元素的含量；

步驟（4）所述的含氮碳材料具有介孔結(jié)構(gòu)，在不加二氧化錫時，這種碳材料可以用于復(fù)合硫單質(zhì)、硅單質(zhì)作為鋰離子電極材料；

步驟（4）所述的含氮碳復(fù)合材料可以通過后續(xù)腐蝕手段去除金屬氧化物，剩余具有空心結(jié)構(gòu)的含氮碳材料。

本發(fā)明上述技術(shù)方案具有以下優(yōu)點：

1)本發(fā)明的反應(yīng)機理是利用蛋白質(zhì)分子中自身的氮元素，通過惰性氣氛高溫煅燒形成氮摻雜的無定形碳。

2)本發(fā)明的所用的蛋清蛋白可溶于水，便于復(fù)合材料的合成；且蛋白質(zhì)發(fā)生變性時收縮可將復(fù)合相包裹到蛋白質(zhì)中形成包覆結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，有利于緩解復(fù)合相的體積膨脹。

3)本發(fā)明通過將蛋清蛋白與葡萄糖按比例混合，可實現(xiàn)無定形碳中氮元素的摻雜含量的調(diào)控。

4)本發(fā)明不需要特殊的工藝設(shè)備，可利用變質(zhì)雞蛋及其他蛋白質(zhì)等，廢棄物質(zhì)再利用可降低生產(chǎn)成本，熱處理工藝簡單。

附圖說明

圖1為本發(fā)明制備的氮摻雜無定形碳的場發(fā)射低倍形貌觀察

圖2為本發(fā)明制備的氮摻雜無定形碳包覆Fe₃O₄復(fù)合材料的場發(fā)射形貌觀察

具體實施方式

下面結(jié)合實例進一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。

本發(fā)明公開了一種氮摻雜碳材料的制備方法，所述的碳材料具有介孔結(jié)構(gòu)，碳材料中摻雜有氮元素，且可控制碳材料中氮元素摻雜含量，其復(fù)合材料為經(jīng)過此種碳材料修飾的復(fù)合材料；制備方法選用雞蛋清原材料在惰性氣氛下高溫煅燒碳化形成氮摻雜碳材料，包括以下步驟：（1）以雞蛋清溶液為溶劑進行材料的復(fù)合；（2）沸水將雞蛋清蒸熟，形成類似雞蛋糕二氧化錫的膠狀物；（3）在惰性氣氛下煅燒獲得氮摻雜碳復(fù)合材料。該法可以制得具有氮摻雜碳包覆的結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，而且碳材料中氮元素含量可控；制得的氮摻雜碳復(fù)合材料適合作為鋰離子電極材料，同時也適用于抗腐蝕和氣體吸附等領(lǐng)域。

實施例一

（1）取蛋清液攪拌24小時進行均質(zhì)處理，然后通過過濾去除雜質(zhì)，40克蛋清液加入到30毫升去離子水中攪拌混合均勻；