[發明專利]一種生物基氮硫共摻雜碳納米片的制備方法

在審

• 申請號: 201710032400.4
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106876701A
• 公開（公告）日: 2017-06-20
• 發明（設計）人: 劉天西;賴飛立;繆月娥;李斐
• 申請（專利權）人: 東華大學
• 主分類號: H01M4/58
• 分類號: H01M4/58;H01M4/587;C01B32/15;B82Y40/00;H01G11/36
• 代理公司: 上海泰能知識產權代理事務所31233
• 代理人: 黃志達,魏峯

技術領域

本發明屬于摻雜碳材料的制備領域，特別涉及一種生物基氮硫共摻雜碳納米片的制備方法。

背景技術

能源存儲/轉換新材料的開發已逐漸成為了全世界科學家關注的研究熱點。鋰離子電池是一種利用鋰離子在正極和負極之間遷移存儲電能的二次電池，其能在很大程度上降低運輸過程中的電能消耗，從而實現長期儲存電能。從鋰離子電池的機理出發，其在充電時Li⁺從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，使負極處于富鋰的狀態，而放電過程則恰恰相反。目前，常采用的鋰離子電池負極材料為碳基材料及其復合材料，其中市售活性炭是最常用的一種碳材料。然而，隨著人們對鋰離子電池儲能性能要求的不斷提升，市售活性炭已經不能滿足人們的需求，所以開發下一代高性能碳材料成為了進一步提升鋰離子電池儲能性能的關鍵。由于鋰離子電池的儲能性能在很大程度上取決于其在碳材料表面的吸附以及進一步的脫嵌過程，因此提升碳材料電極的比表面積，為鋰離子的高效吸附與脫嵌過程提供更多的活性位點有利于提升鋰離子電池的儲能性能。小麥是一種主要由淀粉構成的常見生物基材料，由其熱裂解得到的碳材料成分相對單一，是制作高穩定性鋰離子電池的理想電極材料。然而，小麥的硬質結構導致其結構較為致密，孔隙率不高，這也就大大抑制了對材料本體的后續修飾及其儲鋰性能。為了進一步提升碳材料的儲鋰性能，在碳原子骨架上摻雜多種非金屬雜原子是非常有效的途徑之一。而目前對于非金屬雜原子摻雜的研究主要集中在單一非金屬雜原子的摻雜，很少涉及兩種甚至三種以上雜原子摻雜的問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種生物基氮硫共摻雜碳納米片的制備方法，該方法得到的生物基氮硫共摻雜碳納米片是一種具有良好商業化前景的高性能儲能材料，可被用于超級電容器、鋰離子電池等領域；制備方法中所用的原料為生物基材料，綠色環保、合成簡便、穩定性好。

本發明中的鋰離子電池用生物基氮硫共摻雜碳納米片是以小麥為碳源，以硫脲為氮源和硫源，經過高溫、高壓等多步處理后得到。首先利用中國老式爆米花機的高溫高壓環境對小麥進行膨脹處理，而后將該小麥氣凝膠在管式爐中進行高溫碳化得到小麥基碳氣凝膠，其微觀結構中不僅具有更多的三維孔洞結構，而且還顯示了更大的碳原子層間距，為后續高含量雜原子的摻雜提供了保證。由上述制備得到的生物基氮硫共摻雜碳納米片具有更多的鋰離子插層位點，大大提升了鋰離子電池的性能。本發明的鋰離子電池用生物基氮硫共摻雜碳納米片所用的材料為生物基材料，綠色環保、穩定性好、性能優異，是一種極具商業價值的高性能碳基儲能材料，不僅可被應用于鋰離子電池，也可應用于超級電容器等領域。

本發明通過硫脲分子能一步將硫原子和氮原子同時摻雜入碳原子骨架中，相比單一原子摻雜技術不僅增加了摻雜原子的種類，而且步驟簡便，十分具有推廣意義。

本發明的一種生物基氮硫共摻雜碳納米片的制備方法，包括：

(1)將經過干燥的小麥進行高溫高壓處理，得到小麥氣凝膠WA；

(2)將步驟(1)中得到的WA在惰性氣體條件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麥基碳氣凝膠WCA；

(3)將步驟(2)中的WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；將共混物在惰性氣體條件下，800～1000℃反應2～4h(管式爐中)，得到生物基氮硫共摻雜碳納米片N,S-WCNs。

所述步驟(1)中干燥的條件為：將小麥在陽光下暴曬三天，具體為：將市售的小麥在強烈陽光下暴曬三天后得到的具有堅硬表皮且脫去絕大部分自由水的干小麥顆粒。

所述步驟(1)中高溫高壓處理的條件為：300～500℃，0.6～0.9MPa的條件下處理5～15min，優選10min。

所述高溫高壓處理的機器為中國老式爆米花機。

所述步驟(2)中裂解時的升溫速率為3～5℃/min。

所述步驟(2)中WCA的孔洞直徑為30～100μm。

所述步驟(3)中WCA和硫脲的質量比為1：1～1：8(優選1：4)。

所述步驟(3)中反應時的升溫速率為3～5℃/min。

所述步驟(3)中生物基氮硫共摻雜碳納米片作為鋰離子電池電極材料應用于鋰離子電池領域。