[發明專利]一種硼硫共摻雜碳納米管及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 201911330067.0
• 申請日: 2019-12-21
• 公開（公告）號: CN113013405A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發明（設計）人: 侯峰;陳國院
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01M4/587
• 分類號: H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 天津創智天誠知識產權代理事務所(普通合伙) 12214
• 代理人: 李薇

本發明公開了一種硼硫共摻雜碳納米管及其制備方法和應用，所述制備方法包括以下步驟：步驟1，利用硝酸蒸汽對碳納米管進行氧化刻蝕，得到刻蝕后的碳納米管；步驟2，將硫源和硼源混合后作為摻雜劑，加入蒸餾水中加熱，使摻雜劑完全溶解，得到摻雜劑溶液；步驟3，取所述刻蝕后的碳納米管和所述摻雜劑溶液，混合分散均勻后，于160?200℃下保溫12?24h，冷卻至室溫后，除去上層清液，利用去離子水洗滌沉淀物并離心分離，烘干后得到硼硫共摻雜碳納米管。本發明可實現硼和硫的有效摻雜，提高了碳納米管的電化學性能。

技術領域

本發明涉及碳納米管材料技術領域，特別是涉及一種硼硫共摻雜碳納米管及其制備方法和應用。

背景技術

隨著科學技術的發展和社會的進步，對于高能量密度電池的需求日益增強。目前商用的鋰離子電池的發展遇到瓶頸，如何制備高性能電池負極材料是難題之一。碳納米管是被研究的最多的負極材料之一，它具有極好的力學性能、獨特的管狀結構、超大的長徑比和比表面積，可提供大量的活性位點，但碳納米管負極材料的導電性和循環性能較差、庫侖效率低、容量較低等使其難以得到廣泛的應用。

對碳納米管進行異原子摻雜，可使碳的電子態密度、帶隙、激發能等發生改變。碳納米管的結構和物理化學性質的變化對其電化學性能產生積極影響，提高了碳納米管負極的電池比容量、循環性能、穩定性和安全性等性能。

在各種摻雜元素中，三價的硼元素能夠p型摻雜，有效提高碳納米管的導電性，同時增強電池的循環穩定性；引入硫元素形成n型摻雜而提高碳納米管的電導率，增大碳層間距，并且硫還能吸附鋰離子，增加碳納米管的反應活性位點，對電池的容量產生額外貢獻。硼/硫共摻雜產生的協同效應，能夠有效提升碳納米管的電化學性能。

目前合成硼/硫共摻雜碳納米管的方法主要包括熱解法、化學氣相沉積法等原位法，以及水熱/溶劑熱法結合后期熱處理的后處理法，原位法危險性較大且成本高，后處理法工藝簡單且摻雜效率較高。兩步水熱法首先利用硝酸蒸汽使純碳納米管產生缺陷形成碳懸鍵，再通過水熱法引入硼和硫元素，在不改變原始碳納米管微觀形貌的情況下，實現硼/硫元素共摻雜。該方法存在制備過程耗時以及規模化程度低的缺點。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的硼/硫共摻雜碳納米管的制備方法存在諸多缺陷的問題，而提供一種硼硫共摻雜碳納米管的制備方法。具體采用兩步水熱法，簡單有效的制備硼/硫共摻雜碳納米管。

本發明的另一方面，是提供利用所述制備方法得到的硼硫共摻雜碳納米管。

本發明的另一方面，是提供所述硼硫共摻雜碳納米管的應用。

為實現本發明的目的所采用的技術方案是：

一種硼硫共摻雜碳納米管的制備方法，包括以下步驟：

步驟1，利用硝酸蒸汽對碳納米管進行氧化刻蝕，得到刻蝕后的碳納米管；

步驟2，將硫源和硼源混合后作為摻雜劑，加入蒸餾水中加熱，使摻雜劑完全溶解，得到摻雜劑溶液；

步驟3，按照質量比在1:(5-7)，優選1:5，取所述刻蝕后的碳納米管和所述摻雜劑溶液，混合分散均勻后，于160-200℃下保溫12-24h，冷卻至室溫后，除去上層清液，利用去離子水洗滌沉淀物并離心分離，烘干后得到硼硫共摻雜碳納米管。

在上述技術方案中，所述步驟1中，將純碳納米管置于硝酸蒸汽中，于180-200℃，保溫3-5h，進行氧化刻蝕，其中所述純碳納米管的質量份數與所述硝酸的體積份數比為(0.1-0.6):(0.2-0.5)，質量份數的單位為g，體積份數的單位為ml，氧化刻蝕完成后自然冷卻至室溫，用蒸餾水洗滌產物至中性，干燥得到刻蝕后的碳納米管。