[發(fā)明專利]一種由金屬及其金屬衍生物復(fù)合的二維碳片氣凝膠材料的規(guī)模化制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810208481.3
• 申請(qǐng)日: 2018-03-14
• 公開（公告）號(hào): CN108428870B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱紀(jì)欣;張橋;黃維
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H01M4/36
• 分類號(hào): H01M4/36;H01M4/525;H01M10/0525;C01G49/02;C01G51/04;C01G53/04;C01G39/02;C01B32/15;C01B32/914;C01B32/949;B82Y30/00
• 代理公司: 南京知識(shí)律師事務(wù)所 32207
• 代理人: 吳頻梅

本發(fā)明公開了一種由金屬及其金屬衍生物復(fù)合的二維碳片氣凝膠材料的規(guī)模化制備方法及其應(yīng)用，屬于功能納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。將水加入到瓊脂糖與金屬鹽的混合物中，在微波反應(yīng)器內(nèi)微波加熱處理，得到金屬鹽?瓊脂糖的復(fù)合泡沫，將該泡沫進(jìn)一步煅燒得到由金屬納米顆粒復(fù)合的二維碳片所構(gòu)成的碳?xì)饽z。該方法制備的碳?xì)饽z具有高的比表面積、高石墨化和較大的二維面積，因此具備了高導(dǎo)電率，快速的離子傳輸通道以及高活性位點(diǎn)等特性，在能源存儲(chǔ)和電化學(xué)催化反應(yīng)中，具備了高容量、高穩(wěn)定性、高活性的優(yōu)勢(shì)。整個(gè)材料的制備流程簡(jiǎn)單，原料價(jià)格低廉，適合大規(guī)模生產(chǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可作為能源存儲(chǔ)與電化學(xué)催化材料的金屬及其金屬衍生物復(fù)合的二維碳片氣凝膠材料的制備方法，屬于功能納米材料的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

能源危機(jī)至今仍是一個(gè)亟待解決的全球性問題。大量消耗化石能源導(dǎo)致化石能源日益枯竭，而且造成了環(huán)境污染和全球氣候變暖。發(fā)展新能源技術(shù)能有效解決能源問題。電池技術(shù)將能量以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存，是一種綠色、高效的能源儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)化的技術(shù)。鋰離子電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，高能量密度，低自放電，對(duì)環(huán)境友好等特點(diǎn)廣泛應(yīng)用于手機(jī)、電腦、電動(dòng)汽車等移動(dòng)能源設(shè)備中，是新能源領(lǐng)域中技術(shù)最成熟和應(yīng)用最廣泛的一種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。另外，燃料電池能將生物質(zhì)能直接轉(zhuǎn)化放電的新能源技術(shù)，與傳統(tǒng)電池相比減少了轉(zhuǎn)化成化學(xué)能的過程，不受卡諾循環(huán)限制，大大提升了燃料的利用率。目前燃料電池技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于新能源汽車中。

目前商業(yè)化鋰離子電池的負(fù)極材料為石墨，其理論比容量?jī)H為372mAh g^-1，無法滿足市場(chǎng)對(duì)高性能鋰離子電池的需求。因此需要發(fā)展一種具有比容量高，價(jià)格低廉等特點(diǎn)的鋰離子電池負(fù)極材料。在燃料電池領(lǐng)域中，氧還原反應(yīng)(ORR)需要催化劑提升效率，氧氣還原后能與燃料結(jié)合。商業(yè)化的催化劑是碳負(fù)載鉑，其價(jià)格昂貴，易中毒等因素制約了燃料電池的發(fā)展。

氣凝膠是一種具有低密度、高孔隙率、高比表面積的納米材料。高的比表面積可以增加催化活性位點(diǎn)，提升催化性能。碳基氣凝膠還可以作為電池充放電過程中的保護(hù)層，限制活性材料因反應(yīng)導(dǎo)致的體積膨脹脫離集流體。因此氣凝膠能有效地提升材料的電化學(xué)性能。利用簡(jiǎn)單的條件規(guī)模化制備氣凝膠是本發(fā)明的核心。能解決商業(yè)電池存在的成本高、效率低等問題。

過渡金屬氧化物是一種轉(zhuǎn)換類負(fù)極材料，因其具有理論比容量高(～1000mAh g^-1)，儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉，對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)勢(shì)而被視為下一代負(fù)極材料。但過渡金屬氧化物的導(dǎo)電性能差，容量衰減快，倍率性能差等問題約束了其商業(yè)應(yīng)用，因此研究人員通過各種方法對(duì)過渡金屬氧化物進(jìn)行修飾。碳包裹過渡金屬氧化物復(fù)合材料是目前研究熱點(diǎn)之一。碳材料能穩(wěn)定存在于鋰離子電池電解液中，對(duì)過渡金屬氧化物有保護(hù)作用，因此能有效緩解過渡金屬氧化物性能的衰減。

瓊脂糖(agarose)是一種線性的多聚物。在水中溶解度隨著溫度的提升而提升，并在約90℃以上溶解。冷卻后形成半透明的凝膠。在瓊脂糖凝膠中，具有糖鏈的次級(jí)鏈形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，因此瓊脂糖既可以提供碳源，又能作為二維碳片的前驅(qū)體。

尿素(urea)是一種含氮量極高的有機(jī)物，常被作為化學(xué)氮肥使用。其具有價(jià)格低廉，含氮量高，水溶性好的優(yōu)勢(shì)，在材料合成中常被作為氮源使用，研究表明氮摻雜的碳材料具有優(yōu)異的ORR催化活性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種利用低成本原料規(guī)模化制備具有優(yōu)異的電化學(xué)性能的金屬及其金屬衍生物復(fù)合的二維碳片氣凝膠材料的簡(jiǎn)單工藝。其中，制備的氮摻雜Fe₃C氣凝膠具有優(yōu)異的ORR性能，F(xiàn)e/Fe₃O₄復(fù)合物氣凝膠具有優(yōu)異的鋰離子電池性能。解決商業(yè)電池材料生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高，性能差等問題。

本發(fā)明制備的納米復(fù)合材料是通過以下實(shí)驗(yàn)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種由金屬及其金屬衍生物復(fù)合的二維碳片氣凝膠材料的規(guī)模化制備方法，該制備方法包括以下步驟：