一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法
【专利摘要】一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，步骤如下：1）水热法制备锰基金属?有机框架材料，其化学式为{Mn(HPTBA)2·H2O}n，其中HPTBA为4?(5?(4?吡啶基)?4H?3?(1，2，4?三氮唑基))苯甲酸；2）在氮气保护下，将所得的锰基金属?有机框架材料置于高温炉中煅烧3h，煅烧温度为350?650℃，经热解得到富氮掺杂改性碳纳米粒子；3）将上述富氮掺杂碳改性纳米粒子浸泡在1mol/L的盐酸中，经过滤、洗涤、干燥，得到富氮掺杂改性多孔碳材料。本发明制备的碳材料氮含量高，比表面积大，制备工艺简单，易于实现规模化生产，适用于锂离子电池负极材料。
【专利说明】
一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，属多孔材料技术领域。【背景技术】
[0003]锂离子电池以其相对清洁、可充电、携带方便、高能量密度、相较干电池的高电压等特点，而被广泛应用于手机、数码相机、笔记本电脑、电动汽车等日用储能元件，然而，锂离子电池的电极材料在充放电过程中结构容易发生坍塌，从而导致容量不断的衰减，缩短锂离子电池原有的使用寿命，极大限制了其在大规模储能中的应用。为了满足实际应用中对使用寿命长、可快速充放电锂离子电池系统的需求，需要克服电极材料在充放电过程中导电率低、体积膨胀等问题。这就要求所使用的电极材料的导电性好，锂离子和电子在其内部可以快速扩散，能有效地避免体积膨胀效应。
[0004]目前，碳材料是商品化的锂离子电池的主要负极材料。金属-有机框架材料由于具有可控的孔道结构和较大的比表面积，因而能够作为模板或者前驱物制备多孔碳材料、金属氧化物和碳的复合材料。此外，在锻烧的过程中会放出大量的气态小分子从而得到的样品具有较大的比表面积，甚至会得到弹性结构粒子。选择高含氮量的金属有机框架化合物作为前驱物，可以实现最终碳材料中的高氮掺杂量。最终样品应用于锂离子电池电极材料时，多孔结构可以有效地缓解体积膨胀效应，并且样品中的碳能提高电极材料的导电性，从而实现快速充放电和使用寿命长的要求。此外，这种氮掺杂碳材料作为复合材料基底时，可以额外地提高电极材料的储锂容量。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是，为了提高样品作为电池负极材料的比表面积和氮含量，解决目前的负极材料容量有限、倍率性能低的问题，同时解决高容量负极制备复杂、难以工业化规模生产的问题，本发明提出一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法。
[0006]实现本发明的技术方案是，本发明一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤:(1)将氯化锰、4- (5- (4-吡啶基)-4H-3- (1，2，4-三氮唑基))苯甲酸、氢氧化锂加入到蒸馏水中，在室温下搅拌0.5h，然后置于120°C的电热鼓风干燥箱中恒温加热72h，然后在72h 内程序降到室温，过滤，依次用无水乙醇，蒸馏水洗涤3次，干燥得到锰基金属-有机框架材料{Mn(HPTBA)2 ? H2〇U;(2)在氮气保护下，将上述所得的锰基金属-有机框架材料置于高温炉中煅烧3h，煅烧温度为350-650°C，经热解得到富氮掺杂改性碳纳米粒子；(3)将上述富氮掺杂改性碳纳米粒子浸泡在lmol/L的盐酸中，经过滤、洗涤、干燥得到富氮掺杂改性多孔碳材料。
[0007]所述氯化锰、4-(5-(4-吡啶基)-4H-3-(l，2,4-三氮唑基))苯甲酸和氢氧化锂的摩尔比为1.5:1:1;氯化锰与水的用量比为0.3mmol: 12mL。
[0008]所述锰基金属-有机框架材料的基本单元中存在一种配位环境的Mn，Mn为六配位， 分别同来自HPTBA配体的四个氧原子和2个氮原子配位，形成变形的八面体配位模式。通过 HPTBA配体的桥连，Mn之间能够形成2D平面结构;所述锰基金属-有机框架材料属于单斜晶系，/^i/c空间群，晶胞参数为:a=10.2562(13)，b=22.694(3)，c=l 1.7023( 14)，a=90°，P= 90.443(5)°, y=90°所述锰基金属-有机框架材料在不同高温下煅烧所得到的样品有差异，随着温度的升高，其样品含氮量降低，同时所得到的吡咯型氮N-5、吡啶型氮N-6和石墨型氮N-C的含量也发生变化。
[0009]所述多孔碳材料由碳、氮和氢组成，其中氮的质量百分比含量为10-24%，氢含量不高于4%，其余为碳含量;该多孔碳材料的比表面积高达218平方米/克。
[0010]—种富氮掺杂改性多孔碳材料的应用:将富氮掺杂改性多孔碳材料和导电剂及粘结剂混合制成泥浆状物质并均匀涂在负极片上，以1 mol/L六氟磷酸锂LiPF6，质量比1:1的碳酸亚乙酯EC和碳酸二乙酯DEC混合溶液为电解液，以直径为16_聚丙烯薄膜为隔膜，圆形金属锂片为对电极组装成纽扣电池。
[0011]所述导电剂为乙炔黑/科琴黑/Super P中的一种或几种，粘结剂为聚四氟乙烯/聚偏二氟乙烯/聚丙烯酸锂/聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种，各组分的质量百分比为导电剂 0-15%，粘结剂0-35%，其余为富氮掺杂多孔碳材料。
[0012]本发明的有益效果是，本发明一种富氮掺杂改性多孔碳材料可以有效地缓解体积膨胀效应，并且样品中的碳能提高电极材料的导电性，从而实现快速充放电和使用寿命长的要求，同时可以额外地提高电极材料的储锂容量，最终，提高锂离子电池负极材料的性能。【附图说明】
[0013]图1是本发明锰基金属-有机框架材料的晶体结构图；图2是本发明锰基金属-有机框架材料的X射线粉末衍射谱；图3是本发明富氮掺杂改性多孔碳材料的X射线粉末衍射图；图4是本发明富氮掺杂改性多孔碳材料的扫描电镜图；图5多孔碳材料制备的电池负极材料在电流密度为100mA/g时的充放电循环性能曲线； 图6多孔碳材料制备的电池负极材料在不同电流密度时的倍率性能曲线。【具体实施方式】
[0014]实施例1本实施例一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法如下:1)将氯化锰、4-(5-(4-吡啶基)-4H-3-(l，2,4-三氮唑基))苯甲酸、氢氧化锂加入到蒸馏水中，在室温下搅拌0.5h，然后置于120°C的电热鼓风干燥箱中恒温加热72h，然后在72h 内程序降到室温，过滤，依次用无水乙醇，蒸馏水洗涤3次，干燥，得到锰基金属-有机框架材料{Mn(HPTBA)2 ? H2〇U。该锰基金属-有机框架材料的基本单元中存在一种配位环境的Mn，Mn为六配位，分别同来自HPTBA配体的四个氧原子和2个氮原子配位，形成变形的八面体配位模式。通过HPTBA配体的桥连，Mn之间能够形成2D平面结构;所述的锰基金属-有机框架材料属于单斜晶系，Z^i/c空间群，晶胞参数为:a=10.2562( 13)，b=22.694(3)，c=ll.7023(14)，a=90° 4=90.443(5)°，y =90°。
[0015]图1是该锰基金属-有机框架材料的二维结构图。图2是该锰基金属-有机框架材料的X射线粉末衍射图，所有的衍射峰与模拟的晶体数据一致，显示该锰基金属-有机框架材料具有很好的相纯度和结晶性。[〇〇16]2)在氮气保护下，将上述所得的锰基金属-有机框架材料置于高温炉中煅烧3h，煅烧温度为350°C，经热解得到富氮掺杂改性碳纳米粒子；3)将上述富氮掺杂改性碳纳米粒子浸泡在1 mol/L的盐酸中，经过滤、洗涤、干燥得到富氮掺杂改性多孔碳材料。图3是该富氮掺杂多孔碳材料的X射线粉末衍射图，显示出其高度的非晶性。图4是该富氮掺杂改性多孔碳材料的扫描电镜图，显示该材料的多孔性。[〇〇17]将该富氮掺杂改性多孔碳材料用作电池负极材料的制备方法如下:将富氮掺杂改性多孔碳材料和乙炔黑及聚四氟乙烯混合制成泥浆状物质并均匀涂在负极片上，各组分的质量百分比为乙炔黑15%，聚四氟乙烯35%，其余为富氮掺杂多孔碳材料；以lmol/L六氟磷酸锂LiPF6,质量比1:1的碳酸亚乙酯EC和碳酸二乙酯DEC混合溶液为电解液，以直径为16 _聚丙烯薄膜为隔膜，圆形金属锂片为对电极组装成纽扣电池。
[0018]图5是该电池负极材料在电流密度为100mA/g时的充放电循环性能曲线。从图中显示富氮掺杂多孔碳材料作为电池负极材料在循环1000次后，其充放电容量依然能保持在 800mAh/g。图6是富氮掺杂改性多孔碳材料作为电池负极材料在不同电流密度时的倍率性能曲线倍率性能图，可以看出该材料的显著稳定性。
[0019]实施例2本实施例一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法如下:1)将氯化锰、4-(5-(4-吡啶基)-4H-3-(l，2,4-三氮唑基))苯甲酸、氢氧化锂加入到蒸馏水中，在室温下搅拌0.5h，然后置于120°C的电热鼓风干燥箱中恒温加热72h，然后在72 h 内程序降到室温，过滤，依次用无水乙醇，蒸馏水洗涤3次，干燥，得到锰基金属-有机框架材料{Mn(HPTBA)2 ? H2OU
[0020]2)在氮气保护下，将上述所得的锰基金属-有机框架材料置于高温炉中煅烧3h，煅烧温度为600°C，经热解得到富氮掺杂改性碳纳米粒子；3)将上述富氮掺杂改性碳纳米粒子浸泡在lmol/L的盐酸中，经过滤、洗涤、干燥，得到富氮掺杂改性多孔碳材料。
[0021]将该富氮掺杂多孔碳材料用作电池负极材料的制备方法如下:将富氮掺杂多孔碳材料和乙炔黑及聚四氟乙烯混合制成泥浆状物质并均匀涂在负极片上，各组分的质量百分比为乙炔黑10%，聚四氟乙烯20%，其余为富氮掺杂改性多孔碳材料；以lmol/L六氟磷酸锂 LiPF6,质量比1:1的碳酸亚乙酯EC和碳酸二乙酯DEC混合溶液为电解液，以直径为16mm聚丙烯薄膜为隔膜，圆形金属锂片为对电极组装成纽扣电池。该富氮掺杂改性多孔碳材料作为电池负极材料在循环1000次后，其充放电容量保持在780mAh/g。
【主权项】
1.一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤:(1)将氯化锰、4-(5-(4-吡啶基)-4H-3-(l，2,4-三氮唑基))苯甲酸、氢氧化锂加入到蒸 馏水中，在室温下搅拌0.5h，然后置于120°C的电热鼓风干燥箱中恒温加热72h，然后在72h 内程序降到室温，过滤，依次用无水乙醇，蒸馏水洗涤3次，干燥得到锰基金属-有机框架材 料{Mn(HPTBA)2 ? H20:U;(2)在氮气保护下，将上述所得的锰基金属-有机框架材料置于高温炉中煅烧3h，煅烧 温度为350-650°C，经热解得到富氮掺杂改性碳纳米粒子；(3)将上述富氮掺杂改性碳纳米粒子浸泡在lmol/L的盐酸中，经过滤、洗涤、干燥得到 富氮掺杂改性多孔碳材料。2.根据权利要求1所述一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述氯 化锰、4-( 5-(4-吡啶基)-4H-3-(1，2，4-三氮唑基))苯甲酸和氢氧化锂的摩尔比为1.5:1:1; 氯化猛与水的用量比为0.3mmo 1:12mL。3.根据权利要求1所述一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述锰 基金属_有机框架材料的基本单元中存在一种配位环境的Mn，Mn为六配位，分别同来自 HPTBA配体的四个氧原子和2个氮原子配位，形成变形的八面体配位模式；通过HPTBA配体的桥连，Mn之间能够形成2D平面结构；所述锰基金属-有机框架材料属 于单斜晶系，/^i/c空间群，晶胞参数为:a=10.2562(13)，b=22.694(3)，c=ll.7023(14)，a= 90°，P=90.443(5)°，y=90°。4.根据权利要求1所述一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述锰 基金属-有机框架材料在不同高温下煅烧所得到的样品有差异，随着温度的升高，其样品含 氮量降低，同时所得到的吡咯型氮N-5、吡啶型氮N-6和石墨型氮N-C的含量也发生变化。5.根据权利要求1所述一种富氮掺杂改性多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述多 孔碳材料由碳、氮和氢组成，其中氮的质量百分比含量为10-24%,氢含量不高于4%，其余为 碳含量;该多孔碳材料的比表面积高达218平方米/克。6.—种富氮掺杂改性多孔碳材料的应用，其特征在于，将富氮掺杂改性多孔碳材料和 导电剂及粘结剂混合制成泥浆状物质并均匀涂在负极片上，以lmol/L六氟磷酸锂LiPF6,质 量比1:1的碳酸亚乙酯EC和碳酸二乙酯DEC混合溶液为电解液，以直径为16mm聚丙烯薄膜为 隔膜，圆形金属锂片为对电极组装成纽扣电池。7.根据权利要求6所述一种富氮掺杂改性多孔碳材料的应用，其特征在于，所述导电剂 为乙炔黑/科琴黑/SuperP中的一种或几种;粘结剂为聚四氟乙烯/聚偏二氟乙烯/聚丙烯酸 锂/聚乙烯吡咯烷酮中的一种或几种；各组分的质量百分比为导电剂0-15%，粘结剂0-35%，其余为富氮掺杂多孔碳材料。
【文档编号】H01M4/1393GK105938905SQ201610562153
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年7月18日
【发明人】邹吉勇, 李玲, 游胜勇, 陈衍华, 谌开红, 季清荣, 季馨怿
【申请人】江西省科学院应用化学研究所