[發明專利]一種自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料及其制備方法與應用

在審

• 申請號: 202111566908.5
• 申請日: 2021-12-17
• 公開（公告）號: CN114242986A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 孫靈娜;蔣圣陽;張穎朦
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01M4/36
• 分類號: H01M4/36;H01M4/58;H01M4/583;H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;D04H1/728;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 深圳市君勝知識產權代理事務所(普通合伙) 44268
• 代理人: 劉芙蓉

本發明公開一種自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料及其制備方法與應用，所述方法包括步驟：配制含三價釩源、有機配體和聚丙烯腈的溶液；采用靜電紡絲技術將所述溶液制成復合納米纖維；將所述復合納米纖維進行預氧化處理，得到自支撐多級結構復合納米纖維；將所述自支撐多級結構復合納米纖維進行熱處理，得到自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料。本發明該復合材料具有在碳纖維外部生長的特殊微觀結構，這有利于電極材料與電解質的充分接觸。電極材料活性物質的微觀分散性也得到了提高，對整體電化學儲能器件的性能提升具有較大幫助。碳纖維外部生長的微觀結構亦包含有碳骨架，可以避免電化學反應過程中的結構塌陷或破壞。

技術領域

本發明涉及納米材料技術領域，尤其涉及一種自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料及其制備方法與應用。

背景技術

隨著人類社會對能源需求的高速增長，以化石燃料為代表的傳統能源日漸枯竭，開發以太陽能、風能為代表的新能源迫在眉睫。然而，這些新能源在時間和空間的分布上存在不穩定和不連續性。以金屬離子電池為代表的能源轉化和儲存器件可以彌補這一缺陷，擴大新能源的應用場景，推動新能源產業的發展。電極材料是能源儲存與轉化器件的核心所在，氮化釩作為一種有前途的電極材料，可以在多種金屬離子電池、鋰硫電池和超級電容器中使用。但氮化釩存在導電性較差的問題，可以通過將其與碳材料復合提高其電化學性能。一種簡單便捷的方法是采用靜電紡絲技術制備包覆氮化釩的碳納米纖維。已報到的一種制備方法是：采用靜電紡絲技術制備PVP/C₆H₈O₇/NH₄VO₃復合納米帶，再將所制備的PVP/C₆H₈O₇/NH₄VO₃復合納米帶進行熱處理得到V₂O₅多孔納米帶。最后將所制備的V₂O₅多孔納米帶置于高純石墨坩堝中，用流動的NH₃氣進行氮化，得到VN多孔納米帶。這種制備方法的缺陷是必須使用NH₃氣，不僅增加了成本，還存在一定的安全隱患，同時也不符合綠色化學的理念。

已報道的另一種制備方法是采用四價的釩源乙酰丙酮氧釩，聚丙烯腈作為高分子基底，直接利用聚丙烯腈中的N進行氮化，省去了后續的氨化步驟。如An等人[J.Mater.Chem.A，2017，5，19714]采用乙酰丙酮氧釩和聚丙烯腈制備氮化釩基碳納米纖維并用于超級電容器器件。采用四價的乙酰丙酮氧釩為釩源制備的納米纖維表面存在皺褶，納米纖維外部不存在其他微觀結構，制得的氮化釩基碳納米纖維作為電極材料時的電化學性能較低。

因此，現有技術還有待于改進和發展。

發明內容

鑒于上述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料及其制備方法與應用，旨在解決現有的氮化釩基碳納米纖維作為電極材料時的電化學性能較低的問題。

本發明的技術方案如下：

一種自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料的制備方法，其中，包括步驟：

配制含三價釩源、有機配體和聚丙烯腈的溶液；

采用靜電紡絲技術將所述含三價釩源、有機配體和聚丙烯腈的溶液制成復合納米纖維；

將所述復合納米纖維進行預氧化處理，得到自支撐多級結構復合納米纖維；

將所述自支撐多級結構復合納米纖維進行熱處理，得到自支撐多級結構氮化釩基碳納米纖維復合材料。

可選地，所述三價釩源選自氟化釩、氯化釩、溴化釩和碘化釩中的一種或幾種。

可選地，所述有機配體選自1,3,5-苯三甲酸、1,4-環己烷二甲酸、1,4-苯二甲酸、1,4-萘二甲酸和5-羥基間苯二甲酸中的一種或幾種。