[發明專利]一種金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110995287.6
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113909072B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 劉治明;徐常蒙;何燕;宋文明;李勱;王曉君;由杰
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: B05D1/04
• 分類號: B05D1/04;B05D3/02;B05D7/14;B05D7/24;C01B32/168;C01B32/05;C01B32/194
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 姚金金

本發明公開了一種金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備方法，通過靜電噴霧方法制備金屬摻雜多孔碳球/CNTs復合材料；將CNTs分散至PVP溶液中，然后再通過靜電噴霧的方法將均勻混合液進行噴涂，最后對產物進行預氧化后燒制獲得了金屬摻雜多孔碳球/CNTs復合材料；通過本發明制備的金屬摻雜多孔碳球/CNTs復合材料可以作為鋰硫電池硫正極的宿主材料；靜電噴霧方法簡單易操作，并可以在紡絲液中加入各種Co(Fe,Ni)鹽形成Co(Fe,Ni)摻雜多孔碳材料；CNTs的加入不僅可以形成三維導電網絡提高多孔碳球的導電性能，由于碳納米管優異的長徑比和機械韌性還可以極大地提高多孔碳球的結構穩定性。

技術領域

本發明涉及硫宿主材料技術領域，具體為一種金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備方法。

背景技術

多孔碳因其豐富的孔隙量、高的比表面積、化學穩定性而被廣泛應用于電極材料、儲存與分離、氣體吸附、催化劑載體等諸多領域。模板法是一種有效地制備有序多孔碳材料的方法。其中，模板法可以分為硬模板法、軟模板法。

利用硬模板法雖然可以得到有序或無序的多孔碳材料，并且孔徑大小與孔隙形貌都是可控，但是其操作過程復雜、耗時較多且碳化以后需要使用強酸、強堿去除模板，存在模板殘留和環境污染的問題。軟模板主要是利用大分子自組裝形成有序的納米結構，通過熱聚合和進一步碳化的方法得到了有序的多孔碳材料。通過模板法大分子聚合物策略制備的多孔碳球通常具有導電性和結構穩定性差的問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備方法，旨在解決現有技術中通過模板法大分子聚合物策略制備的多孔碳球導電性和結構穩定性差的問題。

本發明利用大分子的PVP作為碳源，聚四氟乙烯乳液為模板，通過添加碳納米管和石墨烯等導電填料，同時添加金屬鹽和三聚氰胺，通過高溫處理形成具有金屬-氮-碳單原子位點的三維導電網絡的多孔碳球，并作為高性能硫宿主材料。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：一種金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備方法，包括如下具體步驟：

S1?CNTs分散：取含有羥基CNTs加入到去離子水中，超聲處理，超聲分散得到CNTs分散液；

S2噴涂液的制備：取硝酸鹽和三聚氰胺加到步驟S1得到的CNTs分散液中攪拌；隨后加入的PVP溶液，攪拌4～5h，充分溶解后加入聚四氟乙烯乳液，攪拌制得噴涂液；所述PVP溶液中PVP與水的質量比例為1：5～1：10；

S3將該溶液置于20mL注射器中，然后將注射器固定，與高壓電源相接，覆蓋鋁箔紙與地線相連作為接收板，鋁箔紙處于針頭正下方的位置然后施加15-20kV高壓形成靜電場，推膠速度為1ml/h，進行靜電噴霧；

S4金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料的制備：將步驟S3制備的噴涂產品置于80～150℃下穩定，以去除產品中的溶劑，以免對后續熱處理產生影響，穩定后將干燥樣品置于管式爐180～250℃預氧化，為形成穩定的碳結構；升到700-900℃在Ar氣氛下加熱，將PVP進行碳化，同時將聚四氟乙烯高溫揮發掉，并且在高溫下，金屬原子與氮原子形成穩定的化學結構，由此制得金屬摻雜多孔碳微球/CNTs復合材料。

優選的，取15-20mg的親水性CNTs加入到5g的去離子水中超聲處理1h，進行超聲分散。

優選的，步驟S2中所述硝酸鹽為硝酸鈷、硝酸鎳、硝酸鐵的一種或二種以上。

優選的，步驟S2中取50mg的硝酸鈷和200mg的三聚氰胺加到CNTs分散液中攪拌；隨后加入10g的PVP的水溶液，攪拌4～5h，充分溶解后加入10-12g聚四氟乙烯乳液，攪拌4h；最后在電壓15～20kV，推膠速度1ml/h下進行靜電噴霧。

優選的，將制備的噴涂產品置于80～150℃下穩定24h。