一种多孔金属掺杂的碳复合物材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开一种多孔金属掺杂的生物质碳复合材料及制备方法和应用，即将萝卜削皮后切成薄片，去离子水洗涤后冷冻干燥直至水分完全被蒸干，放入到过渡金属盐溶液中进行浸泡5~240h，经离心收集、干燥得到吸附有过渡金属的萝卜干，然后于管式炉中，氮气下控制温度为300~1000℃进行煅烧1~24h，得到的碳化后的样品依次经酸洗、水洗、干燥，然后用氢氧化钾在氮气条件下控制温度800~1000℃进行活化2~24h，然后用去离子水洗涤、干燥，即得到多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料。其作为锂离子电池负极材料应用，具有优异的循环性能和较高的不可逆容量。

【技术实现步骤摘要】
一种多孔金属掺杂的碳复合物材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料及其制备方法和应用，属于材料学领域。
技术介绍
当前，大约80％的能源消耗依赖于不可再生能源的化石燃料的使用，这引起了严重的环境、气候和健康问题等问题，因此人们相信对于绿色能源的利用，包括太阳能和风能等，将成为可持续发展经济中最有希望的选择之一。另外，对于电动交通工具的使用是一个减少环境污染的重要途径。然后利用然而太阳能和风能作为电动汽车需要的能源则需要高效的高能源存储设备。在这方面，锂离子电池(LIBs)可以发挥重要的角色。锂离子由于具有高的能量密度，长的循环寿命等优点而被广泛应用于便携式电子设备中，如笔记本电脑，手机以及医疗设备微电子设备。然而，锂离子电池在实际应用中仍然面临着许多挑战，比如高的功率密度和能量密度，降低成本以及安全性等问题，从而严重制约锂离子电池的广泛应用。目前，商业化的锂离子电池阳极(负电极)和阴极(正)材料主要是由石墨和锂金属氧化物(锂钴氧化物和锂锰氧化物)或磷酸铁锂，其中商业化的石墨电极由于其具有较好的循环性能和倍率性能以及价格低廉等优点而被广泛使用，但是随着人们对高能量密度和高功率密度的需求不断增大，商业化的石墨已经无法满足人们的需要，因为石墨具有较低的理论(372mAhg-1)，因此需要寻找具有较高理论容量的电极材料。与石墨相比，过渡金属氧化物由于其具有较高的理论容量而被认为是最具前途的锂离子电池负极材料之一。然而，过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料通常具有较差的循环稳定性能，由于其自身较差的导电性，较慢的反应动力学以及在充放电过程的电极材料严重的体积膨胀，这些问题都严重的阻碍了过渡金属氧化物的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术的目的之一是为了解决上述的过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料通常具有较差的循环性能等技术问题而提供一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料，该多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料作为锂离子电池负极材料使用时，组装而成的锂离子电池的循环稳定性好。本专利技术的目的之二是提供上述的一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的制备方法，该制备方法以萝卜作为碳基材料，该碳基材料来源丰富，成本低，从而减少了制备锂离子电池负极材料的资源压力。本专利技术的目的之三是提供上述的一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料作为锂离子电池负极材料的使用方法。本专利技术的技术方案一种多孔低金属掺杂的生物质碳复合物材料，通过包括如下步骤的方法制备而成：(1)、萝卜预处理取萝卜，将其削皮后切成厚度为0.1～0.5cm的薄片，用去离子水洗涤后放入冰箱备用；所述的萝卜为白萝卜；(2)、将步骤(1)预处理后的萝卜放进冷冻干燥机，控制温度为-50℃～-30℃进行干燥，直至将水分完全被蒸干后取出，然后放入到过渡金属盐溶液中进行浸泡5～240h，然后控制转速为500～10000r/min离心3～30min,将离心所收集的固体放在鼓风干燥箱中控制温度为40-120℃进行烘干，得到吸附有过渡金属的萝卜干，即多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料前驱物；所述的过渡金属盐溶液为0.1～10mol/L的硝酸钴、硝酸镍或水溶液；(3)、将步骤(2)中得到的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料前驱物放在管式炉中，在氮气保护下控制温度为300～1000℃进行煅烧1～24h，然后自然降到室温，得到的碳化后的萝卜干，然后用体积百分比浓度1-25％的盐酸水溶液浸泡1-48h后，再用去离子水洗至流出液为中性后控制温度为40～120℃进行干燥，得到碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干；(4)、按质量比计算，碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干：氢氧化钾为1:2～7的比例，将步骤(3)所得的碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干和氢氧化钾进行混合后研磨10～50min，然后在氮气条件下控制温度800～1000℃进行活化2～24h，然后用去离子水洗涤至流出液为中性，然后再控制温度为40～120℃进行干燥，即得到多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料。上述所得的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料，孔径分布在2.10nm处，由于生物质碳内部掺杂钴金属，因此用于锂离子电池的负极材料使用。其作为锂离子电池负极材料进行电化学性能测试时，在电流密度100mA·g-1，循环100圈后，其不可逆容量保持在1004.2mAh·g-1，在电流密度1000mA·g-1，循环400圈后，保持在923.7mAh·g-1。本专利技术的有益技术效果本专利技术的一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料，可以实现钴、镍或锌有效的掺杂在生物质碳基底中，同时也可以实现两种以上金属元素掺杂在生物质碳基底中。进一步，本专利技术的一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料，主要是结合生物质碳吸水脱水现象，成功将金属掺杂到生物质碳内部，从而有效的提高金属碳复合材料作为锂离子电池负极材料的循环稳定。进一步，本专利技术的一种多孔金属金属掺杂的生物质碳复合物材料，与现有技术相比，其技术进步是显著的。本专利技术以萝卜作为生物质碳源，合成多孔金属掺杂的多孔碳复合材料，形貌特征呈均匀规则，钴、氧和碳原子均匀的分布在材料上。进一步，本专利技术的一种多孔低金属金属掺杂的生物质碳复合物材料，其制备工艺简单，可规模化生产。附图说明图1、其中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示实施例1所得多孔低金属掺杂的生物质碳复合物在不同分辨率下的SEM图；图2a、实施例1的步骤(2)所得多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料前驱物的热重图；图2b、实施例1的步骤(4)所得的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料与实施例3的步骤(4)所得的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的拉曼光谱图；图3、其中(a)、(b)表示实施例1的步骤(3)所得的活化前的活化前的用盐酸浸泡过的萝卜干、步骤(4)所得的活化后的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的氮气吸脱附曲线图；(c)、(d)表示实施例1的步骤(3)所得的活化前的用盐酸浸泡过的萝卜干、步骤(4)所得的活化后的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的孔径分布图；图4、其中(a)表示实施例1所得多孔金属掺杂的生物质碳复合物XPS全谱；(b)表示实施例1所得多孔低金属掺杂的生物质碳复合物中C1s的分峰；(c)表示实施例1所得多孔低金属掺杂的生物质碳复合物中O1s的分峰；(d)表示实施例1所得多孔低金属掺杂的生物质碳复合物中Co2p的分峰；图5、其中(a)表示实施例1所得的多孔低金属掺杂的生物质碳复合物作为锂离子电池负极材料制作成电池负极在扫速为0.1mVs-1时的循环伏安测试曲线；(b)表示实施例1所得的多孔低金属掺杂的生物质碳复合物即经氢氧化钾活化的多孔低金属掺杂的生物质碳复合物和实施例2所得的不经氢氧化钾活化的多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料作为锂离子电池负极时的交流阻抗图；(c)表示实施例1、实施例2、实施例3所得最终产品作为锂离子电池负极材料制作成电池负极在电流密度为1000mA·g-1的循环性能图；(d)表示实施例1、实施例2、实施例3所得最终产品作为锂离子电池负极材料制作成电池负极在不同电流密度下倍率测试曲线图。具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图对本专利技术进行详细说明，但并不限制本专利技术。实施例1一种多孔低金属掺杂的生物质碳复合物材料，含有Co、C、O元素，其通过包括如下步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：(1)、萝卜预处理取萝卜，将其削皮后切成厚度为0.1～0.5cm的薄片，用去离子水洗涤后放入冰箱备用；所述的萝卜为白萝卜；(2)、将步骤(1)预处理后的萝卜放进冷冻干燥机，控制温度为‑50℃～‑30℃进行干燥，直至将水分完全被蒸干后取出，然后放入到过渡金属盐溶液中进行浸泡5～240h，然后控制转速为500～10000r/min离心3～30min,将离心所收集的固体放在鼓风干燥箱中控制温度为40‑120℃进行烘干，得到吸附有过渡金属的萝卜干；所述的过渡金属盐溶液为0.1～10mol/L的硝酸钴、硝酸镍或硝酸锌的水溶液；(3)、将步骤(2)中得到的吸附有过渡金属的萝卜干放在管式炉中，在氮气保护下控制温度为300～1000℃进行煅烧1～24h，然后自然降到室温，得到的碳化后的萝卜干，然后用体积百分比浓度1‑25％的盐酸水溶液浸泡1‑48h后，再用去离子水洗至流出液为中性后控制温度为40～120℃进行干燥，得到碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干；(4)、按质量比计算，碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干：氢氧化钾为1:2～7的比例，将步骤(3)所得的碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干和氢氧化钾进行混合后研磨10～50min，然后在氮气条件下控制温度800～1000℃进行活化2～24h，然后用去离子水洗涤至流出液为中性，然后再控制温度为40～120℃进行干燥，即得到多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料。...

【技术特征摘要】
1.一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料的制备方法，其特征在于具体包括如下步骤：(1)、萝卜预处理取萝卜，将其削皮后切成厚度为0.1～0.5cm的薄片，用去离子水洗涤后放入冰箱备用；所述的萝卜为白萝卜；(2)、将步骤(1)预处理后的萝卜放进冷冻干燥机，控制温度为-50℃～-30℃进行干燥，直至将水分完全被蒸干后取出，然后放入到过渡金属盐溶液中进行浸泡5～240h，然后控制转速为500～10000r/min离心3～30min,将离心所收集的固体放在鼓风干燥箱中控制温度为40-120℃进行烘干，得到吸附有过渡金属的萝卜干；所述的过渡金属盐溶液为0.1～10mol/L的硝酸钴、硝酸镍或硝酸锌的水溶液；(3)、将步骤(2)中得到的吸附有过渡金属的萝卜干放在管式炉中，在氮气保护下控制温度为300～1000℃进行煅烧1～24h，然后自然降到室温，得到的碳化后的萝卜干，然后用体积百分比浓度1-25％的盐酸水溶液浸泡1-48h后，再用去离子水洗至流出液为中性后控制温度为40～120℃进行干燥，得到碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干；(4)、按质量比计算，碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干：氢氧化钾为1:2～7的比例，将步骤(3)所得的碳化后用盐酸浸泡过的萝卜干和氢氧化钾进行混合后研磨10～50min，然后在氮气条件下控制温度800～1000℃进行活化2～24h，然后用去离子水洗涤至流出液为中性，然后再控制温度为40～120℃进行干燥，即得到多孔金属掺杂的生物质碳复合物材料。2.如权利要求1所述的一种多孔金属掺杂的生物质碳复合物...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵宇霖，王小飞，徐群杰，时鹏辉，范金辰，朱晟，
申请(专利权)人：上海电力学院，
类型：发明
国别省市：上海,31