一种氮掺杂无定形碳材料及其制备方法和应用

本发明涉及碳材料，具体涉及一种氮掺杂无定形碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、钠离子电池由于能量密度高、原材料储量丰富、成本低廉，被认为是一种理想的电化学能量储存系统，有望在低速电动车、大规模储能等领域得到大规模应用。负极材料作为钠离子电池的核心部件之一直接影响着电池的电化学性能。相较于技术发展较为成熟的锂离子电池所用的价格低廉的石墨负极，钠离子电池负极材料的选取仍处于起步阶段，主要是由于钠离子与石墨难以形成稳定的插层化合物，因而无法直接使用石墨作为钠离子电池负极材料。因而，亟需寻找具有优良综合性能的负极材料来进一步提高钠离子电池的能量密度。

2、无定形碳材料作为碳基材料中的主要类别，储钠电位低，储钠容量适中，嵌钠后体积形变小，循环性能好，在众多候选者中综合性能最好，此外，从原材料角度看，无定形碳前驱体来源广泛，易于制备，是钠离子电池负极材料领域最有可能率先实现产业化的材料。但是目前以生物质碳材料和煤、沥青类化石原料制得的无定形碳材料通常面临首次库伦效率低，容量低的问题，影响其实用化进程。产业化中需要进一步寻找具有更高电化学性能的无定形碳材料。

技术实现思路

1、针对现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种氮掺杂无定形碳材料及其制备方法和应用，本发明以聚吡咯为碳源前驱体，通过调控碳源前驱体在碳化过程中的原子构型，形成更有利于钠离子吸附存储的晶体结构。与现有技术相比，本发明所制得的氮掺杂无定形碳材料在用作钠离子电池负极时表现出超高的首次库伦效率、超长循环寿命和出色的倍率性能，具有良好的应用前景。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、本发明的第一个目的是提供一种氮掺杂无定形碳材料的制备方法，包括以下步骤：

4、向吡咯溶液中加入催化剂使吡咯发生聚合反应，分离所得产物并干燥得到聚吡咯；优选的，催化剂为过硫酸铵溶液。

5、将聚吡咯置于保护气氛中进行预碳化处理，得到预碳化材料；优选的，预碳化处理的温度为300-400℃，时间为1～3h；所述预碳化处理的升温速率为1～5℃/min。

6、将预碳化材料置于氨气氛围中进行高温碳化，得到氮掺杂无定形碳材料。优选的，高温碳化的温度为400～800℃，时间为1～3h；高温碳化的升温速率为2～5℃/min；氨气的流速为10～200ml/min。

7、本发明的第二个目的是提供一种氮掺杂无定形碳材料，其是采用如前述第一个目的中所述的制备方法制备获得。

8、本发明的第三个目的是提供如第二个目的中所述的氮掺杂无定形碳材料作为负极材料在钠离子电池中的应用。

9、本发明具有以下有益效果：

10、与现有技术相比，本发明提供的合成方法简单，不需要复杂的设备和昂贵的原料，且本发明采用富氮的吡咯作为原材料，有利于在后续碳化过程中形成更多的氮掺杂碳。低温预碳化处理过程中，聚吡咯作为碳源前驱体主要发生热解反应，在此过程中伴随着co2、ch4等气体的产生和溢出，形成大量孔洞。预碳化后的产物需要进一步进行高温碳化，通过调节高温碳化过程中的气体流速和升温速率，使得碳层间距减小，气体分子溢出留下的开孔逐渐闭合，并为碳原子重组提供充足时间，进而提高材料首次库伦效率。

11、本发明通过调节碳化温度来调控氮原子掺杂量以改变聚合物基碳材料的结构缺陷，提供更多的活性位点。具体地，氨气处理过程后样品中形成大量吡啶氮，进而诱导额外的缺陷和钠存储位点，同时，高温条件将更有利于碳骨架电子结构的改变，带来更多的边缘缺陷位点，有助于吡啶氮的富集。此外，在此过程中使用氨气作为最终热处理气氛，有利于将nh4+引入无定形碳材料内部，形成nh4+-n，有利于实现高斜坡容量。在此基础上得到的无定形碳材料不仅具有高的首次充放电库伦效率、充放电容量和循环寿命，同时还表现出更优异的倍率性能。

技术特征：

1.一种氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述催化剂为过硫酸铵溶液。

3.根据权利要求1所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述预碳化处理的温度为300-400℃，时间为1～3h。

4.根据权利要求3所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述预碳化处理的升温速率为1～5℃/min。

5.根据权利要求1所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述高温碳化的温度为400～800℃，时间为1～3h。

6.根据权利要求5所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述高温碳化的升温速率为2～5℃/min。

7.根据权利要求5所述的氮掺杂无定形碳材料的制备方法，其特征在于：所述氨气的流速为100～200ml/min。

8.一种氮掺杂无定形碳材料，其特征在于：其是采用如权利要求1至7中任一项所述的制备方法制备获得。

9.如权利要求8所述的氮掺杂无定形碳材料作为负极材料在钠离子电池中的应用。

技术总结
本发明公开了一种氮掺杂无定形碳材料及其制备方法和应用，该材料的制备方法包括以下步骤：向吡咯溶液中加入催化剂使吡咯发生聚合反应，分离所得产物并干燥得到聚吡咯；将聚吡咯置于保护气氛中进行预碳化处理，得到预碳化材料；将预碳化材料置于氨气氛围中进行高温碳化，得到氮掺杂无定形碳材料。本发明提供的调控策略能够有效的调控聚吡咯在碳化过程中的原子构型，形成更有利于钠离子吸附存储的结构。与现有技术相比，本发明所制得的氮掺杂无定形碳材料在用作钠离子电池负极时表现出超高的首次库伦效率、超长循环寿命和出色的倍率性能，具有良好的应用前景。

技术研发人员：王佩瑶,赵邦传,白金,朱雪斌,孙玉平
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/16