一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用，属于材料合成领域。本发明专利技术的制备方法，包括：1)配制高锰酸钾溶液，配制硝酸锰溶液或氯化锰溶液，混合，加入苯胺，得到反应液；2)将反应液进行水热反应，反应完成后，得到负载有MnO

A nitrogen doped porous nano carbon material, preparation method and its application as anode material of lithium ion battery

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用
本专利技术属于材料合成领域，尤其是一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。
技术介绍
锂离子电池是一种极具代表性的电化学储能技术，具有能量密度高、循环寿命好、电压高等优点，但在使用过程中出现的大电流工作状态下容量急速衰减的问题限制了锂离子电池的应用前景。作为锂离子电池的关键材料，负极材料对电池的倍率性能影响巨大。碳负极材料由于具有廉价易得、导电性好、循环寿命长等优点被广泛研究和应用，然而较低的理论容量和倍率性能限制了它在更多应用场景的广泛使用。氮掺杂改性是一种有效提高碳材料电化学性能的方法，具有以下有益作用：氮原子能够提高碳材料的电荷转移效率，使其导电能力提升；引入氮原子会使碳材料结构中的电子分布发生改变，从而提高材料的润湿性，电解液与材料能够充分接触，大大提高物质运输效率；氮掺杂使碳材料的孔结构增多，使更多的活性位点暴露出来，有利于提高材料的反应活性。因此，氮掺杂改性被视为一种提高碳材料电化学性能的切实可行的解决方案，具有非常重要的应用价值。目前，对氮掺杂碳负极材料的应用研究较为广泛，但仍有许多关键问题亟待解决：首先，传统碳基负极材料微观结构致密，抑制了负极材料导电能力及锂离子电池的倍率性能；其次，现有商用方法大多需要使用表面活性剂等添加剂，成本较高且环境不友好；再次，氮掺杂碳材料中氮的来源目前分为来源于前驱体及来源于后期的修饰处理两种方法，前者无法实现氮掺杂量的精确调控，而后者的氮掺杂量难以满足需求。上述问题制约了氮掺杂碳负极材料的实际应用。因此，为实现锂离子电池性能进一步提升与锂离子电池产业的长足发展，氮掺杂量的提升及倍率性能的提升等关键突破显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中氮掺杂碳材料中的氮掺杂量不可控的缺点，提供一种氮掺杂多孔纳米碳材料、制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种氮掺杂的多孔纳米碳材料的制备方法，包括以下步骤：1)配制高锰酸钾溶液，配制硝酸锰溶液或氯化锰溶液，将上述两个溶液混合，加入苯胺，得到反应液；2)将反应液装入反应釜内进行水热反应，反应完成后，得到负载有MnOx的聚苯胺，1≤x<2；所述水热反应的反应条件为：反应温度150～200℃，反应时间2～10h；3)取反应产物中的沉淀物，将沉淀物在流动的氨气和惰性气体下进行碳化反应，得到负载有MnOx的氮掺杂的碳材料；4)将步骤3)中得到的负载有MnOx的氮掺杂的碳材料进行酸洗，得到氮掺杂的多孔纳米碳材料。进一步的，步骤1)中反应液中高锰酸钾溶液的浓度为0.03～0.2mol/L；反应液中硝酸锰溶液或氯化锰溶液的浓度为0.03～0.2mol/L；反应液中苯胺的浓度为0.015～0.099mol/L。进一步的，步骤3)中惰性气体的流量为50sccm，氨气的流量为0～100sccm。进一步的，步骤3)中碳化反应的温度为750～900℃，时间为1～6h。进一步的，步骤4)中酸洗所用酸为0.5～2mol/L的稀盐酸。进一步的，步骤4)中进行酸洗过程中伴随有搅拌。一种氮掺杂的多孔纳米碳材料，根据本专利技术的制备方法制备得到。氮掺杂的多孔纳米碳材料作为锂离子电池负极材料的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的氮掺杂的多孔纳米碳材料的制备方法，利用水热法生成负载有MnOx的聚苯胺，之后碳化得到负载有MnOx的碳材料，聚苯胺自身碳化后变成含有氮的碳材料；另一方面，在碳化过程中，可以通过调控氨气的流量来调控氮掺杂量；在后续的酸洗过程中，碳材料上负载的MnOx经酸洗脱离碳材料，在碳材料的原位留有孔隙，进一步的增大了氮掺杂的多孔纳米碳材料的比表面积，使得碳材料上的孔隙更加发达；本专利技术的制备方法，无需表面活性剂，采用价格低廉的苯胺、过渡金属盐作为原料，采用水热反应和热处理方法制备产品，掺杂氮量可调；整个制备过程需要的原料成本低且易得，制备步骤简单，反应条件温和，产品稳定性良好，有利于开展大规模生产与商业应用。进一步的，水热反应的反应液根据反应式的化学计量比确定高锰酸钾、苯胺以及四水硝酸锰或氯化锰的浓度，反应原料利用率更高。进一步的，碳化时通入氩气和氨气，惰性气体的流量为50sccm，氨气的流量为0～100sccm，原料廉价，成本低。本专利技术的氮掺杂的多孔纳米碳材料，比表面积大，氮掺杂可增加碳材料上的孔数，提高材料比表面积，有利于电解质与电极接触；通过氮的掺入为锂离子提供更多结合的活性位点，增强储锂能力。本专利技术的氮掺杂的多孔纳米碳材料作为锂离子电池负极材料的应用，以其为原料制成的负极进行测试，随着循环次数的增加，放电可逆容量保持下降不明显；大电流工作状态下稳定性较好；本专利技术的掺杂的多孔碳材料作为锂离子电池负极材料应用，能够提升锂离子电池倍率性能。附图说明图1为实施例3制备的氮掺杂的多孔纳米碳材料的XRD图；图2为实施例3制备的氮掺杂的多孔纳米碳材料的Raman图；图3为实施例3制备的氮掺杂的多孔纳米碳材料的SEM图，其中，图3(a)和图3(b)为不同放大倍数的SEM图。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本专利技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。下面结合附图对本专利技术做进一步详细描述：实施例1首先量取125mL的去离子水，称取0.59g高锰酸钾并倒入去离子水中，超声5分钟至高锰酸钾完全溶解，配制成0.03mol/L的高锰酸钾溶液；量取125mL去离子水，称取0.94g四水硝酸锰并溶解于上述去离子水中，配制成0.03mol/L的硝酸锰溶液；将高锰酸钾溶液倒入硝酸锰溶液中，待搅拌混合均匀后，量取340微升苯胺加入混合溶液中，搅拌30min；随后将溶液转移至水热反应釜内衬中，放入加热烘箱中，进行水热反应，反应时间为6h，反应温度为180℃；待反应结束后，将液体取出进行离心，倒本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂的多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)配制高锰酸钾溶液，配制硝酸锰溶液或氯化锰溶液，将上述两个溶液混合，加入苯胺，得到反应液；/n2)将反应液装入反应釜内进行水热反应，反应完成后，得到负载有MnO

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂的多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配制高锰酸钾溶液，配制硝酸锰溶液或氯化锰溶液，将上述两个溶液混合，加入苯胺，得到反应液；
2)将反应液装入反应釜内进行水热反应，反应完成后，得到负载有MnOx的聚苯胺；其中，1≤x<2；
所述水热反应的反应条件为：反应温度150～200℃，反应时间2～10h；
3)取反应产物中的沉淀物，将沉淀物在流动的氨气和惰性气体下进行碳化反应，得到负载有MnOx的氮掺杂的碳材料；
4)将步骤3)中得到的负载有MnOx的氮掺杂的碳材料进行酸洗，得到氮掺杂的多孔纳米碳材料。


2.根据权利要求1所述的氮掺杂的多孔纳米碳材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中反应液中高锰酸钾溶液的浓度为0.03～0.2mol/L；
反应液中硝酸锰溶液或氯化锰溶液的浓度为0.03～0.2mol/L；
反应液中苯胺的浓度为0.015...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔笑千，李磊，王国隆，徐浩东，宋忠孝，李雁淮，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61