[發明專利]氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料及制備方法與應用

有效

• 申請號: 202011584300.0
• 申請日: 2020-12-28
• 公開（公告）號: CN112537771B
• 公開（公告）日: 2022-04-19
• 發明（設計）人: 趙國群;龔潔
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;H01M4/133;H01M4/587;H01M10/054
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 王磊

本發明公開了氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料及制備方法與應用，通過超臨界二氧化碳發泡使聚丙烯腈膜內的二氧化碳飽和，將內含飽和二氧化碳的聚丙烯腈膜進行水浴熱處理獲得聚丙烯腈納米孔泡沫，將聚丙烯腈納米孔泡沫依次進行預氧化處理和碳化處理，獲得氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料。納米多孔碳材料具有大比表面積的連續的納米介孔和大孔支架結構，且支架結構上具有大量微孔；BET比表面積為200～400m²g^?1；含有碳元素70～90at％、氮元素5～20at％和氧元素5～10at％。本發明制備的氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料在用作鉀離子電池負極時能兼顧優秀的可逆比容量、倍率性能和循環穩定性。

技術領域

本發明涉及納米多孔碳材料的制備技術領域，具體涉及氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料及制備方法與應用。

背景技術

公開該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

鋰離子電池由于具有穩定和較高的儲能能力，已被廣泛應用于通訊設備、電子設備及電動汽車等領域。然而，地球上鋰資源的分布不均和儲量不足，限制了鋰離子電池的大規模應用。近年來，由于鉀資源的在地殼中儲量豐富，以及鉀離子與鋰離子相近的電化學儲能性質，鉀離子電池作為替代鋰離子電池的杰出候選者受到了研究者們的廣泛關注。

多孔碳負極材料由于具有來源廣、成本低、物化性能穩定和天然的內部缺陷結構等優點，已成為發展鉀離子電池的關鍵材料之一。然而，由于鉀離子的半徑較大，使得其在電極材料中的擴散動力學緩慢，同時在循環過程中會造成電極材料的體積膨脹及結構坍塌，進而導致電池的倍率性能和循環穩定性低。多孔碳材料的改進方法主要包括異質原子摻雜和多孔結構優化。現有研究表明，氮氧原子共摻雜可以為多孔碳材料提供大量的鉀離子存儲的活性位點和提高材料的電解液潤濕性，而多孔結構的優化設計(尤其是納米孔結構的設計)可以為鉀離子提供快速的傳輸通道和包容電極材料的體積膨脹。Chen等曾于2019年在《Journal of Materials Chemistry A》上發表了一篇名為“Nitrogen/Oxygenco-doped mesoporous carbon octahedrons for high-performance potassium-ionbattery”的論文，其研究表明，在氮氧共摻雜和豐富的納米介孔結構的協同作用下，多孔碳材料能獲得高的可逆比容量(在100mAg^-1下經100次循環后為240mAh g^-1)和良好的循環穩定性(在1Ag^-1下經1300次循環后可保留100mA h g^-1的可逆比容量)。然而，發明人研究發現，在設計多孔結構時，現有的方法通常需要使用模板，為保證徹底去除模板，需通過強酸或者其他具有腐蝕性的化學試劑將材料反復清洗，模板法的這種繁雜的后處理步驟制約了其在多孔碳負極材料制備中的實際應用，同時繁雜的后處理也會影響形成的多孔結構，從而影響氮氧共摻雜的多孔碳材料的電化學性能。因此，發展一種無模板的可規模化的方法制備氮氧共摻雜的納米多孔碳材料仍面臨巨大挑戰。

發明內容

為了解決現有技術的不足，本發明的目的是提供氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料及制備方法與應用，本發明提供的制備方法基于聚丙烯腈的兩步法二氧化碳發泡技術(含飽和與升溫發泡兩步)和熱解工藝，其制備過程簡單、無需使用模板，且使用的原材料成本低廉。采用本發明制備的納米多孔碳材料作為鉀離子電池負極材料的應用，所制得的鉀離子電池具有優秀的可逆比容量、倍率性能和循環穩定性能。

為了實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，一種氮氧共摻雜的雙連續的納米多孔碳材料，所述納米多孔碳材料具有大比表面積的連續的納米介孔和大孔支架結構，且支架結構上具有大量微孔；所述碳材料的BET比表面積為200～400m² g^-1；所述碳材料含有碳元素70～90at％、氮元素5～20at％和氧元素5～10at％。