[發明專利]一種硫摻雜碳微米管的制備方法及其硫摻雜碳微米管和應用

有效

• 申請號: 201811019127.2
• 申請日: 2018-09-03
• 公開（公告）號: CN109273272B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 周小四;王巧巧
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 孫斌

本發明公開了一種硫摻雜碳微米管的制備方法及其硫摻雜碳微米管和應用，該方法通過一步反應將棉花直接在H₂S/Ar氣氛下碳化和硫化，得到硫摻雜碳微米管。本發明制備硫摻雜碳微米管的方法以棉花為原料，通過一步熱解得到一種硫摻雜碳微米管材料。該方法工藝簡單，使用的原料綠色環保，適合于批量生產，可重復性強，且成本低，硫摻雜和碳化可通過一步反應實現，并且通過高溫下硫化氫氣體摻雜使得硫摻雜更均勻，天然棉花也無需經過任何純化處理即可使用。本發明制得的硫摻雜碳微米管表面產生了大量的納米孔，且比表面積較大，并具有優異的電化學性能，可作為理想的鈉離子電池負極材料。

技術領域

本發明屬于電極材料技術領域，具體涉及一種硫摻雜碳微米管的制備方法及其所制得的硫摻雜碳微米管和應用。

背景技術

在大規模儲能領域，鈉離子電池作為鋰離子電池最具潛力的替代品之一受到越來越多的關注，這主要是因為其資源豐富和環境友好性等優點。然而，由于鈉離子半徑大于鋰離子半徑導致鈉離子的擴散動力學更為遲鈍。目前，已報道的一些鈉離子電池宿主材料包括碳基材料、鈦基材料、合金型材料，以及金屬氧化物/硫化物材料等，這些材料都展現出較好的儲鈉性能，但它們的循環穩定性并不令人滿意。

近年來，通過構筑多孔碳納米結構在鈉離子電池循環穩定性方面已取得了很大的進步。另外，氮、硼、硫和磷等雜原子摻雜作為提高碳基材料儲鈉性能的有效措施也受到了極大的關注。硫是一種高電化學活性元素，可以與鈉可逆地反應。因此，向碳材料中引入硫可以增加額外的儲鈉位點，導致可逆容量的增加。

發明內容

發明目的：針對現有技術存在的問題，本發明提供一種硫摻雜碳微米管的制備方法，該方法綠色環保、工藝簡單，通過一步熱解就可以得到一種硫摻雜碳微米管材料。

本發明還提供一種硫摻雜碳微米管材料及其應用。

技術方案：為了實現上述目的，如本發明所述一種硫摻雜碳微米管的制備方法，包括如下步驟：通過一步反應將棉花直接在H₂S/Ar氣氛下一步碳化和硫化，得到硫摻雜碳微米管。

作為優選，所述H₂S/Ar氣氛中，H₂S氣體的體積百分比為5％～10％。

其中，所述碳化和硫化是將棉花置于管式爐中，使管式爐以2～10℃/min的速率升溫至600～800℃后保持2～3h。

作為優選，所述600～800℃高溫下硫化氫氣體摻雜使得硫摻雜更均勻。

其中，所述棉花為天然棉花無需經過任何純化處理即可使用。

進一步地，所述棉花用量為1-2g。

本發明所述的硫摻雜碳微米管的制備方法所制備得到的硫摻雜碳微米管。

其中，所述硫摻雜碳微米管通過硫摻雜后，棉花衍生碳微米管表面產生了大量的納米孔，且比表面積較大。

本發明所述的硫摻雜碳微米管的制備方法所制備得到的硫摻雜碳微米管作為鈉離子電池負極材料的應用。

發明利用棉花作為前驅體，在H₂S/Ar或Ar氣氛下，制備幾種碳微米管材料，并研究它們儲鈉性能。通過實驗發現硫摻雜碳微米管在作為鈉離子電池負極材料時具有較高的可逆比容量，是一種高性能的鈉離子電池負極材料。

本發明的制備方法以自然界廣泛存在的棉花為原料，將棉花在H₂S/Ar氣氛下硫化并碳化得到硫摻雜碳微米管和在Ar氣氛下碳化得到碳微米管。采用X射線衍射儀(XRD)和紅外光譜(FT-IR)測試所得硫摻雜碳微米管的成分；利用掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)觀察所得硫摻雜碳微米管的尺寸、形貌和微結構等。結果表明，所述硫摻雜碳微米管表面粗糙且尺寸較大。