一种生物质衍生的3D花状结构N/O共掺杂碳材料及其制备方法

本发明属于电池领域，具体涉及一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法。

背景技术：

1、随着能源需求的不断增加，可再生能源在全球能源供应中的比例也在快速增长。然而，由于可再生能源的间歇性，电网的能量利用效率非常低。因此，大型绿色储能系统的发展势在必行。锂离子电池由于具有优异的性能已被广泛用于可再生能源存储，尤其是电子设备和电动汽车。然而，由于价格过高和锂储备有限，将锂离子电池嵌入智能电网仍然受到很大限制。因此，开发高稳定性、低成本的储能系统已成为研究人员的追求。钠和钾由于具有大的储量以及与锂相似的特性而在过去几年中备受关注。然而，锂离子电池中常用的石墨负极在钠/钾离子电池中的电化学性能表现较差。因此，具有更好电化学性能的新型负极材料是钠/钾离子电池体系的研究重点之一。

2、高性能负极材料包括碳材料、金属/合金、金属氧化物、金属硫化物/硒化物及其相应的复合材料。在这些负极材料中，碳材料因其良好的导电性、物理化学稳定性、低成本和环境可持续性而吸引了研究人员的注意。此外，由于层间间距扩大，碳材料可以容易地承受体积膨胀并容纳更多的li+/na+/k+。研究发现引入杂原子(n、o、p、s、f等)是调整层间距离的有效方法。此外，杂原子掺杂(尤其是多组分掺杂)或微/中孔可能会产生大量缺陷，显著增加电化学活性位点，从而增强碳材料的容量。作为有前景的碳质材料，生物质资源成本低、资源丰富且具有可再生的优点。因此，利用生物质作为前体来开发电极材料近年来受到越来越多的关注。因此，对生物质材料引入杂原子元素掺杂，尤其是多组分元素掺杂，是当前优化生物质衍生碳材料负极性能的有效方法。然而，直接利用生物质碳化获得碳材料负极虽然有利于简化制备工艺、降低生产成本，但是具有一定程度的局限性。这是由于具有掺杂原子的生物质前驱体种类有限，同时获得的生物质衍生碳通常为无孔块状不规则材料或微纳米碳球，其单一的结构特征不利于其性能的提升。

3、本发明设计采用混合生物质为前驱体，在实现多元素杂原子掺杂的同时，对生物质材料的形貌进行有效调控，得到一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料可用于高性能金属离子电池负极材料。利用葡萄糖与卵清蛋白作为混合生物质前驱体，其中，葡萄糖作为主要的成碳物质，卵清蛋白作为n掺杂的来源和成核剂，通过简单的水热反应和煅烧碳化过程，得到目标材料。该材料中丰富的n、o掺杂不仅可以产生更多的电化学活性位点，而且可以增强表面润湿性，同时通过增加离子/电子扩散速率来提高电导率。此外，混合生物质的利用对材料的形貌形成了有效的调控，所形成的3d花状结构具有丰富的多孔结构，不仅可以缩短离子与电子的传输路径，同时增大了与电解液的而接触面积，整体提升了材料的容量与功率特性。该方法具有原料成本低廉、丰富易得、制备工艺简单的优点，为低成本、高性能的金属离子电池负极材料设计具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提出了一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法。其目的在于通过混合生物质衍生碳的设计，从成分层面得到多元素成分掺杂、以及从结构层面得到具有特殊孔结构设计的碳材料，从而提升材料内部电子/离子传输速率、增多反应活性位点，从而整体实现高容量、高功率特性的电极。包含该材料的金属离子电池表现出较高的比容量、优异的倍率性能和良好的循环稳定性，具有良好的应用前景。

2、实现本发明的技术方案是：一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：葡萄糖作为主要成碳物质，卵清蛋白作为n掺杂来源和成核剂，材料为微米级3d花状碳球，其内部为多级多孔结构。

3、所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料的制备方法如下：

4、(1)将葡萄糖与卵清蛋白加入去离子水或去离子水与有机溶剂的混合溶液中搅拌溶解；

5、(2)将步骤(1)得到的溶液转移至聚四氟乙烯高压反应釜中，并进行反应0.5-72h；

6、(3)将步骤(2)得到的沉淀物收集并通过去离子水、乙醇洗涤，干燥后即可获得花状碳前驱体；

7、(4)将花状碳前驱体在含惰性气氛的管式炉中400-1200℃煅烧0.5-20h后，得到3d花状结构n/o共掺杂碳材料。

8、所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述葡萄糖与卵清蛋白的质量比为1000:1至1:1。

9、所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甲醇、n-n二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙三醇、正丁醇和n-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的混合液。

10、所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述反应的温度为80-220℃。

11、所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料可作为负极电极材料用于金属离子电池。

12、本发明的有益效果是：本发明公开的一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其中利用含有n元素的卵清蛋白与葡萄糖作为混合生物质前驱体，从成分层面得到多元素成分掺杂、以及从结构层面得到具有特殊孔结构设计的碳材料，葡萄糖作为主要的成碳物质，卵清蛋白作为n掺杂的来源和成核剂，通过简单的水热反应和煅烧碳化过程，得到目标材料。所形成的3d花状结构具有丰富的多孔结构，不仅可以缩短离子与电子的传输路径，同时增大了与电解液的而接触面积，且n/o双掺杂引入了更多的缺陷和反应活性位点，促进了良好的反应动力学，同时多级结构缓解循环过程中电极材料的体积膨胀，使材料在作为金属离子电池负极材料时具有优异的倍率性能和循环稳定性。本方法具有成本低廉、原料丰富易得、制备工艺简单的优点，具有良好的经济价值和应用前景。

技术特征：

1.一种生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：葡萄糖作为主要成碳物质，卵清蛋白作为n掺杂来源和成核剂，材料为微米级3d花状碳球，其内部为多级多孔结构。

2.根据权力要求1所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料的制备方法如下：

3.根据权利要求2所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述葡萄糖与卵清蛋白的质量比为1000:1至1:1。

4.根据权利要求2所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中所述有机溶剂为乙醇、异丙醇、丙酮、乙二醇、乙醚、甲醇、n-n二甲基甲酰胺、二甲亚砜、丙三醇、正丁醇和n-甲基吡咯烷酮中的一种或几种的混合液。

5.根据权利要求2所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中所述反应的温度为80-220℃。

6.根据权利要求1所述的生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料及其制备方法，其特征在于：生物质衍生的3d花状结构n/o共掺杂碳材料可作为负极电极材料用于金属离子电池。

技术总结
本发明公开了一种生物质衍生的3D花状结构N/O共掺杂碳材料及其制备方法。所述材料利用含有N元素的卵清蛋白与葡萄糖作为混合生物质前驱体，通过调节反应的条件，原位合成可调节的微米级3D花状结构的N/O共掺杂碳，其内部具有丰富的多级多孔通道。本发明公开的生物质衍生的3D花状结构N/O共掺杂碳材料具有成本低廉、原料丰富易得、制备工艺简单的优点，将其用于金属离子电池负极材料时，其N/O双掺杂引入了更多的缺陷和反应活性位点，促进了良好的反应动力学，同时多级结构缓解循环过程中电极材料的体积膨胀，使材料在作为金属离子电池负极材料时具有优异的倍率性能和循环稳定性。本发明公开的生物质衍生的3D花状结构N/O共掺杂碳材料具有良好的经济价值和应用前景。

技术研发人员：陈人杰,张喜雪,李丽
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13