一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料及其制备方法。本发明专利技术提供的制备方法，先将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，再与过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，形成聚苯胺包覆的纳米硅材料，最后再进行炭化处理，得到具有核壳结构的聚苯胺包覆的纳米硅材料。本发明专利技术通过一步水热反应和一步炭化即可，无需多个复杂繁琐步骤，而且不需要模板剂或刻蚀剂来辅助形成核壳，且条件温和，大大简化了制备过程和操作难度，降低了制备成本，且由于未使用模板剂或刻蚀剂从而避免了对这些试剂的后期处理；而且，本发明专利技术的制备方法，还能够保证材料的电化学性能，使材料表现出优异的电化学储能性能和循环稳定性。的电化学储能性能和循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及电化学材料领域，特别涉及一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]锂离子电池作为一种储能材料已经广泛应用于各个领域，随着对锂离子电池性能要求的不断提高，高容量的电极材料已成为当前研究的热点。硅材料室温下的理论嵌锂容量为3580mAh/g，约是传统石墨材料的十倍，是最具有潜力的下一代锂离子电池负极材料。但是，硅存在严重的体积膨胀，会造成容量迅速衰减，所以实现硅负极的商业化仍面临诸多挑战。
[0003]将硅与炭材料复合，有利于改善材料的电化学性能。氮掺杂可以提高炭材料的导电性，含氮聚合物可以通过控制合成条件获得不同微观结构的材料，是一种良好的制备氮掺杂碳基材料的原料。如申请号CN201810119502的中国专利申请，采用聚苯胺为原料制备了一种氮掺杂硅基负极材料，有效的提高的材料的结构稳定性。如申请号CN201710323485的中国专利申请公开了一种氮掺杂硅炭复合负极材料制备方法，先通过溶胶凝胶法在纳米Si表面包覆一层SiO2，得到Si@SiO2，然后再通过反相悬浮聚合，利用聚丙烯酰胺包覆Si@SiO2，高温活化后利用HF刻蚀SiO2，得到氮掺杂硅炭复合负极材料。
[0004]然而，常见的氮掺杂硅炭复合材料制备方法都要分多步进行，制备条件苛刻，需要模板剂或者刻蚀剂来辅助形成核壳，而这些试剂需要进行后期处理，进一步增加了制备成本和复杂性。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料及其制备方法。本专利技术提供的制备方法能够获得核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料，而且能够大大简化过程，降低制备成本，并保证材料的电化学性能。
[0006]本专利技术提供了一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]a)将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，得到分散液；
[0008]b)将所述分散液、过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，反应结束后进行固液分离和干燥，得到聚苯胺包覆的纳米硅材料；
[0009]c)在保护性气氛下，对所述聚苯胺包覆的纳米硅材料进行炭化处理，得到具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料。
[0010]优选的，所述步骤a)中，所述苯胺单体∶纳米硅粉的用量比为(0.5～10)mL∶(0.1～10)g；
[0011]所述酸液的浓度为0.2M。
[0012]优选的，所述纳米硅粉的粒度为50～500nm。
[0013]优选的，所述酸液选自硫酸液、磷酸液和硝酸液中的一种或几种。
[0014]优选的，所述步骤b)中的过氧化氢溶液∶步骤a)中纳米硅粉的用量比为(0.5～10)mL∶(0.1～10)g；
[0015]所述过氧化氢溶液的质量百分浓度为30％。
[0016]优选的，所述引发剂溶液中的引发剂∶步骤a)中苯胺单体的摩尔比为1∶(0.5～3)。
[0017]优选的，所述引发剂溶液中的引发剂选自过硫酸盐、重铬酸盐和三氯化铁中的一种或几种；
[0018]所述引发剂溶液的浓度为0.15～0.60M。
[0019]优选的，所述步骤b)中，所述水热反应的温度为120～170℃，时间为2～10h。
[0020]优选的，所述步骤c)中，所述炭化处理的温度为400～1000℃，保温时间为1～6h。
[0021]本专利技术还提供了一种上述技术方案中所述的制备方法制得的具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料。
[0022]本专利技术提供的制备方法，先将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，再与过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，形成聚苯胺包覆的纳米硅材料，最后再进行炭化处理，得到具有核壳结构的聚苯胺包覆的纳米硅材料。本专利技术通过一步水热反应和一步炭化即可，无需多个复杂繁琐步骤，而且不需要模板剂或刻蚀剂来辅助形成核壳，且条件温和，大大简化了制备过程和操作难度，降低了制备成本，且由于未使用模板剂或刻蚀剂从而避免了对这些试剂的后期处理；而且，本专利技术的制备方法，还能够保证材料的电化学性能，使材料表现出优异的电化学储能性能和循环稳定性。
[0023]试验结果表明，本专利技术制备的具有核壳结构的聚苯胺包覆的纳米硅材料的倍率性能测试结果如下：依次在0.1A/g、0.2A/g、0.5A/g、1A/g的电流密度下循环10圈，再回到0.1A/g的电流密度循环10圈，对应的容量分别为：0.1A/g下容量在1066mAh/g以上
→
0.3A/g下容量在894mAh/g以上
→
0.5A/g下容量在834mAh/g以上
→
1A/g下容量在735mAh/g以上
→
回到0.1A/g下容量在1042mAh/g以上。循环性能测试结果如下：于0.5A/g下循环50圈后，容量保持率仍达到81％以上。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0025]图1为实施例1所得具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的SEM图；
[0026]图2为实施例1所得具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的高分辨电镜图；
[0027]图3为实施例2所得具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的SEM图；
[0028]图4为实施例3所得具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的SEM图；
[0029]图5为实施例4所得具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的SEM图；
[0030]图6为实施例1所得复合材料的倍率性能测试效果图；
[0031]图7为实施例1所得复合材料的循环性能测试效果图。
具体实施方式
[0032]本专利技术提供了一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0033]a)将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，得到分散液；
[0034]b)将所述分散液、过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，反应结束后进行固液分离和干燥，得到聚苯胺包覆的纳米硅材料；
[0035]c)在保护性气氛下，对所述聚苯胺包覆的纳米硅材料进行炭化处理，得到具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料。
[0036]本专利技术提供的制备方法，先将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，再与过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，形成聚苯胺包覆的纳米硅材料，最后再进行炭化处理，得到具有核壳结构的聚苯胺包覆的纳米硅材料。本专利技术通过一步水热反应和一步炭化即可，无需多个复杂繁琐步骤，而且不需要模板剂或刻蚀剂来辅助形成核壳，且条件温和，大大简化了制备过程和操作难度，降低了制备成本，且由于未使用模板剂或刻蚀剂从而避免了对这些试剂的后期处理；而且，本专利技术的制备方法，还能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：a)将苯胺单体、纳米硅粉分散到酸液中，得到分散液；b)将所述分散液、过氧化氢溶液和引发剂溶液混合进行水热反应，反应结束后进行固液分离和干燥，得到聚苯胺包覆的纳米硅材料；c)在保护性气氛下，对所述聚苯胺包覆的纳米硅材料进行炭化处理，得到具有核壳结构的氮掺杂硅炭复合材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤a)中，所述苯胺单体∶纳米硅粉的用量比为(0.5～10)mL∶(0.1～10)g；所述酸液的浓度为0.2M。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述纳米硅粉的粒度为50～500nm。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述酸液选自硫酸液、磷酸液和硝酸液中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤b)...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海燕，邢涛，刘涛，杨贵州，王洪记，夏水林，张奎同，王雯雯，苗阳，李智，
申请(专利权)人：兖矿化工有限公司兖矿新能源研发创新中心，
类型：发明
国别省市：