一种制备氮掺杂多孔球形无序碳材料的方法与流程

本发明属于无机纳米材料合成领域。更具体的说，涉及用模板法来实现制备氮掺杂多孔球形无序碳的方法。

背景技术：

随着社会经济的高速发展，化石能源短缺和全球变暖等一系列资源环境问题逐渐开始暴露出来。在当今，这些日益恶化的资源环境问题，提醒人们，现在十分有必要关注解决能源问题。锂离子电池具有高的能量密度、高功率密度和长寿命等优点，已在便携式电子设备、电动汽车和混合动力汽车等领域得到广泛的应用。但是，由于锂资源在地球上的储量有限且分布不均，这些使得锂离子电池进一步的大规模应用受到限制，尤其是在大型储能设备和智能电网中的应用。而钠元素除了与锂元素具有相似的物理化学性能外，钠在地球上有十分丰富的储量，钠在地球中蕴藏量比锂要高4～5个数量级，加之环境友好、安全性高，因此钠离子电池的研究得到了广泛的关注。未来钠离子电池很有可能替代锂离子电池成为新一代储能方式。

钠与锂是同主族元素，作为二次电池的能量载体，它们具有相似的嵌入脱出机理。然而，钠离子的半径比锂离子要大，这使得钠离子在电极材料中的嵌入和脱出变得困难。因此，寻找合适的材料作为钠离子电池的电极材料显得尤为重要。碳材料作为钠离子电池的负极材料相比其它钠离子负极材料，具有制备简单，经济低廉，来源丰富的优点。这些对于钠离子电池的大规模应用极为关键，也是其它钠离子负极材料不能替代的优点，比如金属氧化物(氧化锡、氧化铁和氧化钛等)、金属(锡和锑等)、硫化物(二硫化钼、硫化锡和硫化铁等)、非金属单质(主要是单质磷)以及钛酸钠等。碳材料主要包括石墨碳和非石墨碳两大类。其中石墨已经广泛应用于锂离子电池。相对于锂离子来说，钠离子的半径要大很多，石墨碳的层间距(0.335nm)太小不适合钠离子的嵌入。而非石墨碳中的无序碳材料却可以拥有更大层间距，更适合钠离子的嵌入。据相关报道，通过热解葡萄糖得到的无序碳材料，作为锂离子电池和钠离子电池的负极材料具有相似的嵌入机理，只是嵌入电压值不同。但是，无序碳材料作为钠离子电池负极材料，相对于在锂离子电池中的应用，比容量和循环稳定性还需要进一步提高。无序碳材料改性方法主要包括结构设计(合成多孔材料)和元素掺杂(主要是氮元素掺杂)。研究表明，构建多孔碳材料，通过控制孔的大小和结构调控储钠性能是提高碳材料容量的有效途径之一。元素掺杂可以通过构造结构缺陷和提高无序度来影响钠离子的嵌入和脱出，从而提高钠离子电池碳负极性能。

技术实现要素：

本发明的目的是通过喷雾干燥结合模板法和改变前驱体的组成比例来合成氮掺杂多孔球形无序碳材料，提供一种制备氮掺杂多孔球形无序碳材料的方法。

本发明提供一种制备氮掺杂多孔球形无序碳材料的方法，该方法在气氛热解的基础上，通过喷雾干燥结合模板法和调节前驱体的组成比例，合成氮掺杂多孔球形无序碳材料。

本发明的技术方案如下：

一种制备氮掺杂多孔球形无序碳材料的方法，具体步骤如下：

1).将甘氨酸加入到去离子水中，制得浓度为0.3mol/L–0.5mol/L的甘氨酸溶液；

2).将SiO₂模板剂加入到步骤1制得的溶液中，磁力搅拌得到悬浮液；

3).将步骤2制得的悬浮液进行喷雾干燥；

4).将干燥产物在氩气气氛下进行热解，热解温度为700℃–900℃；

5).将热解产物使用NaOH溶液进行刻蚀以去除SiO₂模板剂，煮沸刻蚀，过程中伴随磁力搅拌；

6).将刻蚀后的悬浮液使用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到氮掺杂多孔球形无序碳材料。

所述步骤2)中SiO₂的尺寸优选10nm–20nm。

所述步骤2)中使SiO₂与甘氨酸的质量之比为1:5–5:5。

所述步骤3)中喷雾干燥的干燥温度优选160℃–200℃。

所述步骤4)中气氛热解的升温制度优选是：升温速率2–10℃/min，在700℃-900℃保温60–120min，然后自然冷却到室温。

所述步骤5)中NaOH溶液的浓度优选1–5mol/L，刻蚀时间优选4–6h。

所述步骤6)用去离子水洗涤优选5–10次，优选干燥温度条件是在60–100℃下干燥24–48h。

所述磁力搅拌优选条件是：10–20r/s。

氮掺杂多孔球形无序碳材料作为负极材料在钠离子电池中的应用，具体实施如下：

将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)。

本发明提供了一种制备氮掺杂多孔球形无序碳材料的方法。具体地，通过使用甘氨酸和SiO₂作为碳氮源和模板剂，经过喷雾造粒之后在氩气气氛下高温热解，使用NaOH刻蚀，洗涤后得到目标产物。喷雾干燥过程中，细小的悬浮液雾滴在高温气流下迅速干燥成为甘氨酸和SiO₂组成的球状前驱体。氩气气氛下的高温热解过程中，甘氨酸的热解碳化会保留一部分碳氮键，从而达到氮掺杂的效果。使用SiO₂作为模板剂，利用其高的熔点，高温处理之后用NaOH刻蚀来实现造孔的目的。制备的多孔碳球为介孔材料，孔尺寸集中分布在10nm左右，碳球粒径均匀，直径约1-3μm，掺杂氮的含量约为10.86％；制备的氮掺杂多孔球形无序碳作为钠离子电池的负极材料具有良好的电化学性能。

本发明的效果是：通过使用甘氨酸和SiO₂作为碳氮源和模板剂，在氩气气氛下高温热解，经NaOH刻蚀后得到了高比表面积、孔径分布均匀的氮掺杂多孔球形无序碳材料。制得的材料作为钠离子电池的负极表现出高的比容量和良好的循环稳定性。

附图说明

图1是实施例1(上)、实施例2(中)和实施例4(上)所制备碳材料的X射线衍射图，说明所制备的产物均为结晶性较差的无序碳材料。

图2是实施例2所制备的碳材料SEM图，如图所示，产物为碳球，直径分布在1–3μm之间，碳球上均匀分布着大量的纳米孔，大量孔道保证了碳球作为钠离子电池负极材料时与电解液的充分接触。

图3是实施例3所制备的碳材料的SEM图，如图所示，产物为碳球，直径分布在1–3μm之间，碳球上均匀分布着大量的纳米孔。

图4是实施例1所制备的碳材料的N₂吸附脱附曲线以及孔径分布图(嵌入)，如图N₂吸附脱附曲线所示，所制备的碳材料有大的孔容，为0.73cm³g^-1，BET方法计算得到的比表面积为340m²g^-1，孔径分布图显示，制备的碳球为介孔材料，孔尺寸大小集中分布在10nm左右。

图5是实施例2所制备碳材料的能谱图，说明所制备的碳材料中含有氮元素，含量约为10.86％，说明所制备碳材料实现了氮掺杂的目的。

图6是实施例4所制备碳材料作为钠离子电池负极材料组装成电池后测试的充放电循环稳定性能图，如图所示，电池在电流密度为100mA g^-1下首次放电比容量为492.7mAh g^-1，首次库伦效率为47.67％，可逆放电比容量高达214.5mAh g^-1，从第三圈循环开始，电池的库伦效率均接近100％，且电池容量几乎没有衰减，表现出良好的循环稳定性。

具体实施方式

本发明实施例的方法，通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

1)将甘氨酸加入到去离子水中，制得浓度为0.3mol/L–0.5mol/L的甘氨酸溶液；

2)将SiO₂模板剂加入到步骤1制得的溶液中，磁力搅拌，使SiO₂与甘氨酸的质量之比为1:5–5:5；

3)将步骤2制得的悬浮液进行喷雾干燥；

4)将干燥产物在氩气气氛下进行热解，热解温度为700℃–900℃；

5)将热解产物使用NaOH溶液进行刻蚀以去除SiO₂模板剂，煮沸刻蚀，过程中伴随磁力搅拌。

6)将刻蚀后的悬浮液使用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到最终产物。

氮掺杂多孔球形无序碳材料作为负极材料在钠离子电池中的应用，具体实施如下：

将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)。

实施例1：

1).将22.5g甘氨酸溶解到1000mL去离子水中制得浓度为0.3mol/L的甘氨酸溶液；

2).将4.5g SiO₂加入到甘氨酸溶液中，磁力搅拌(10r/s)，得到乳白色悬浮液；

3).将上述制得的乳白色悬浮液进行喷雾干燥，干燥温度为160℃；

4).将上述喷雾干燥的产物在氩气气氛下热解，热解温度700℃，升温速率10℃/min，保温120min；

5).将热解产物加入到100mL浓度为1mol/L的NaOH溶液中进行煮沸刻蚀，刻蚀时间为6h；

6).将刻蚀产物使用去离子水洗涤5次，100℃干燥24h后得到最终产物。

使用制得的氮掺杂多孔球形无序碳材料制做成钠离子电池的负极，并组装成电池：将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)，测试充放电的电流密度为100mA g^-1。

如图1所示，制备的产物均为结晶性较差的无序碳材料。如图4所示，所制备的碳材料有大的孔容，为0.73cm³g^-1，BET方法计算得到的比表面积为340m²g^-1，孔径分布图显示，制备的碳球为介孔材料，孔尺寸大小集中分布在10nm左右。

实施例2：

1).将30g甘氨酸溶解到1000mL去离子水中制得浓度为0.4mol/L的甘氨酸溶液；

2).将18g SiO₂加入到甘氨酸溶液中，搅拌(15r/s)后得到乳白色悬浮液；

3).将上述制得的乳白色悬浮液进行喷雾干燥，干燥温度为180℃；

4).将上述喷雾干燥的产物在氩气气氛下热解，热解温度800℃，升温速率6℃/min，保温90min；

5).将热解产物加入到70mL浓度为3mol/L的NaOH溶液中进行煮沸刻蚀，刻蚀时间为5h；

6).将刻蚀产物使用去离子水洗涤7次，100℃干燥36h后得到最终产物。

使用制得的氮掺杂多孔球形无序碳材料制做成钠离子电池的负极，并组装成电池：将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)，测试充放电的电流密度为100mA g^-1。

如图1所示，制备的产物均为结晶性较差的无序碳材料。如图2所示，产物为碳球，直径分布在1–3μm之间，碳球上均匀分布着大量的纳米孔，大量孔道保证了碳球作为钠离子电池负极材料时与电解液的充分接触。如图5所示，制备的碳材料中含有氮元素，含量约为10.86％，说明制备的碳材料实现了氮掺杂的目的。

实施例3：

1).将30g甘氨酸溶解到1000mL去离子水中制得浓度为0.4mol/L的甘氨酸溶液；

2).将30g SiO₂加入到甘氨酸溶液中，磁力搅拌(15r/s)后得到乳白色悬浮液；

3).将上述制得的乳白色悬浮液进行喷雾干燥，干燥温度为180℃；

4).将上述喷雾干燥的产物在氩气气氛下热解，热解温度800℃，升温速率6℃/min，保温90min；

5).将热解产物加入到70mL浓度为3mol/L的NaOH溶液中进行煮沸刻蚀，刻蚀时间为5h；

6).将刻蚀产物使用去离子水洗涤7次，100℃干燥36h后得到最终产物。

使用制得的氮掺杂多孔球形无序碳材料制做成钠离子电池的负极，并组装成电池：将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)，测试充放电的电流密度为100mA g^-1。

如图1所示，制备的产物均为结晶性较差的无序碳材料。如图3所示，产物为碳球，直径分布在1–3μm之间，碳球上均匀分布着大量的纳米孔，大量孔道保证了碳球作为钠离子电池负极材料时与电解液的充分接触。

实施例4：

1).将37.5g甘氨酸溶解到1000mL去离子水中制得浓度为0.5mol/L的甘氨酸溶液；

2).将37.5g SiO₂加入到甘氨酸溶液中，磁力搅拌(20r/s)后得到乳白色悬浮液；

3).将上述制得的乳白色悬浮液进行喷雾干燥，干燥温度为200℃；

4).将上述喷雾干燥的产物在氩气气氛下热解，热解温度900℃，升温速率2℃/min，保温120min；

5).将热解产物加入到50mL浓度为5mol/L的NaOH溶液中进行煮沸刻蚀，刻蚀时间为4h；

6).将刻蚀产物使用去离子水洗涤10次，100℃干燥48h后得到最终产物。

使用制得的氮掺杂多孔球形无序碳材料制做成钠离子电池的负极，并组装成电池：将制得的材料与导电炭黑和PVDF(聚偏氟乙烯)以及NMP(N-甲基吡咯烷酮)充分混合形成均匀的糊状物，涂覆在铜箔基体上作为测试电极，以金属钠作为对电极组装成扣式电池，其电解液为1M NaClO₄/EC(碳酸乙烯酯)(体积比为1:1)+5wt％FEC(氟代碳酸乙烯酯)，测试充放电的电流密度为100mA g^-1。

如图1所示，制备的产物均为结晶性较差的无序碳材料。如图6所示，制得碳材料作为钠离子电池的负极材料，在电流密度为100mA g^-1下首次放电比容量为492.7mAh g^-1，首次库伦效率为47.67％，可逆放电比容量高达214.5mAh g^-1，从第三圈循环开始，电池的库伦效率均接近100％，且电池容量几乎没有衰减，表现出良好的循环稳定性。

综上实施例的附图可以明确的看出，本发明通过喷雾干燥结合模板法和改变前驱体的组成比来控制合成了氮掺杂多孔球形无序碳材料，其中合成的碳材料为介孔材料，孔在碳球上的分布均匀，尺寸集中分布在10nm左右，氮在材料的含量约为10.86％，材料作为钠离子电池的负极材料具有良好的电化学性能。