一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，包括：将经过干燥的小麦进行高温高压处理，得到小麦气凝胶WA；将WA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麦基碳气凝胶WCA；将WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h，得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片。本发明专利技术的方法简单可行，使用的原料价格低廉、绿色环保，所获得的生物基氮硫共掺杂碳纳米片具有优异的电化学储能性能，可被用于超级电容器、锂离子电池等领域。

Method for preparing biological base nitrogen sulfur Co doped carbon nano plate

The present invention relates to a biological basis of nitrogen and sulfur doped carbon nano film preparation method, including: dried wheat of high temperature and high pressure treatment, wheat WA aerogel; WA in inert gas under the condition of 400 to 500 DEG C by 0.5 ~ 2H, wheat based carbon aerogels WCA; WCA grinding and thiourea blends, the blends obtained; will blend in an inert gas under the condition of 800 to 1000 DEG C for 2 ~ 4h, bio based nitrogen sulfur Co doped carbon nano sheet. The method is simple and feasible, the low price of raw material, green environmental protection, the biological nitrogen and sulfur Co doped carbon nano sheet has excellent electrochemical performance, can be used in the field of super capacitor, lithium ion battery etc..

【技术实现步骤摘要】
一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法
本专利技术属于掺杂碳材料的制备领域，特别涉及一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法。
技术介绍
能源存储/转换新材料的开发已逐渐成为了全世界科学家关注的研究热点。锂离子电池是一种利用锂离子在正极和负极之间迁移存储电能的二次电池，其能在很大程度上降低运输过程中的电能消耗，从而实现长期储存电能。从锂离子电池的机理出发，其在充电时Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，使负极处于富锂的状态，而放电过程则恰恰相反。目前，常采用的锂离子电池负极材料为碳基材料及其复合材料，其中市售活性炭是最常用的一种碳材料。然而，随着人们对锂离子电池储能性能要求的不断提升，市售活性炭已经不能满足人们的需求，所以开发下一代高性能碳材料成为了进一步提升锂离子电池储能性能的关键。由于锂离子电池的储能性能在很大程度上取决于其在碳材料表面的吸附以及进一步的脱嵌过程，因此提升碳材料电极的比表面积，为锂离子的高效吸附与脱嵌过程提供更多的活性位点有利于提升锂离子电池的储能性能。小麦是一种主要由淀粉构成的常见生物基材料，由其热裂解得到的碳材料成分相对单一，是制作高稳定性锂离子电池的理想电极材料。然而，小麦的硬质结构导致其结构较为致密，孔隙率不高，这也就大大抑制了对材料本体的后续修饰及其储锂性能。为了进一步提升碳材料的储锂性能，在碳原子骨架上掺杂多种非金属杂原子是非常有效的途径之一。而目前对于非金属杂原子掺杂的研究主要集中在单一非金属杂原子的掺杂，很少涉及两种甚至三种以上杂原子掺杂的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，该方法得到的生物基氮硫共掺杂碳纳米片是一种具有良好商业化前景的高性能储能材料，可被用于超级电容器、锂离子电池等领域；制备方法中所用的原料为生物基材料，绿色环保、合成简便、稳定性好。本专利技术中的锂离子电池用生物基氮硫共掺杂碳纳米片是以小麦为碳源，以硫脲为氮源和硫源，经过高温、高压等多步处理后得到。首先利用中国老式爆米花机的高温高压环境对小麦进行膨胀处理，而后将该小麦气凝胶在管式炉中进行高温碳化得到小麦基碳气凝胶，其微观结构中不仅具有更多的三维孔洞结构，而且还显示了更大的碳原子层间距，为后续高含量杂原子的掺杂提供了保证。由上述制备得到的生物基氮硫共掺杂碳纳米片具有更多的锂离子插层位点，大大提升了锂离子电池的性能。本专利技术的锂离子电池用生物基氮硫共掺杂碳纳米片所用的材料为生物基材料，绿色环保、稳定性好、性能优异，是一种极具商业价值的高性能碳基储能材料，不仅可被应用于锂离子电池，也可应用于超级电容器等领域。本专利技术通过硫脲分子能一步将硫原子和氮原子同时掺杂入碳原子骨架中，相比单一原子掺杂技术不仅增加了掺杂原子的种类，而且步骤简便，十分具有推广意义。本专利技术的一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，包括：(1)将经过干燥的小麦进行高温高压处理，得到小麦气凝胶WA；(2)将步骤(1)中得到的WA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麦基碳气凝胶WCA；(3)将步骤(2)中的WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h(管式炉中)，得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片N,S-WCNs。所述步骤(1)中干燥的条件为：将小麦在阳光下暴晒三天，具体为：将市售的小麦在强烈阳光下暴晒三天后得到的具有坚硬表皮且脱去绝大部分自由水的干小麦颗粒。所述步骤(1)中高温高压处理的条件为：300～500℃，0.6～0.9MPa的条件下处理5～15min，优选10min。所述高温高压处理的机器为中国老式爆米花机。所述步骤(2)中裂解时的升温速率为3～5℃/min。所述步骤(2)中WCA的孔洞直径为30～100μm。所述步骤(3)中WCA和硫脲的质量比为1：1～1：8(优选1：4)。所述步骤(3)中反应时的升温速率为3～5℃/min。所述步骤(3)中生物基氮硫共掺杂碳纳米片作为锂离子电池电极材料应用于锂离子电池领域。本专利技术的方法不仅操作简单，而且成本低廉，同时还可以通过大幅提升碳原子的层间距来提高其嵌锂/脱锂效率。故本专利技术旨在利用中国老式爆米花机将小麦膨胀成小麦气凝胶，进一步利用管式炉将小麦气凝胶热裂解成小麦基碳气凝胶，而后将小麦基碳气凝胶和硫脲分子进行共混后于高温下进行掺杂，最终得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片，可被用于锂离子电池负极材料。本专利技术提供的制备方法简单可行，能一步将氮、硫杂原子掺杂到碳原子骨架中，为制备高性能碳材料提供了新思路，极具商业价值。有益效果(1)本专利技术借助中国老式爆米花机产生的高温高压，在小麦内部引入三维多孔结构；(2)本专利技术经过一步热裂解后的小麦气凝胶仍然保留着完整的三维网络结构，为硫脲分子的扩散和吸附提供了更多的通道和位点，从而提升杂原子的掺杂量；(3)本专利技术所用的原料为廉价的生物基材料，绿色环保、可大规模生产，有望作为传统锂离子电池电极材料的替代材料。附图说明图1是本专利技术中锂离子电池用生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备过程示意图；图2是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片制备过程的宏观展示图，其中，A、B、C分别对应于小麦、小麦气凝胶和小麦基碳气凝胶；图3是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片的形貌表征照片，其中，A、B分别对应于小麦基碳气凝胶的SEM图和小麦基氮硫共掺杂碳纳米片的TEM图；图4是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片的元素面扫描图和HRTEM图；其中，A为生物基氮硫共掺杂碳纳米片的元素面扫描图，B为生物基氮硫共掺杂碳纳米片的HRTEM图；图5是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片的XRD图，其中包括小麦基碳、膨胀小麦基碳和生物基氮硫共掺杂碳纳米片；图6是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片的XPS图，其中A、B、C分别对应于全谱、S2p谱图和N1s谱图；图7是实施例2中所制备的生物基氮硫共掺杂碳纳米片的储能性能，其中A、B、C、D、E分别对应于首圈充放电曲线、阻抗曲线、循环伏安曲线、倍率稳定性曲线和循环稳定性曲线。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。此外应理解，在阅读了本专利技术讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本专利技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。实施例1本实施例包括以下步骤：(1)在中国老式爆米花机中加入晒干后的小麦，于高温下均匀加热10min后打开炉盖，得到小麦气凝胶；(2)将小麦气凝胶放入管式炉中，在氮气保护下进行高温裂解，所用加热程序为：以3℃/min的升温速率升至450℃，并保持高温热裂解1h，得到小麦基碳气凝胶；(3)称取100mg上述小麦基碳气凝胶和100mg硫脲，将两者进行研磨混合，于惰性气氛下在管式炉中进行高温杂原子掺杂，所用加热程序为：以3℃/min的升温速度升至900℃，并保持3h，得到小麦基氮硫共掺杂碳纳米片，记为N,S-WCNs-1。实施例2本实施例包括以下步骤：(1)在中国老式爆米花机中加入晒干后的小麦，于高温下均匀加热10min后打开炉盖，得到小麦气凝胶；(2)将小麦气凝胶放入管式炉中，在氮气保护下进行高温裂解，所用加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，包括：(1)将经过干燥的小麦进行高温高压处理，得到小麦气凝胶WA；(2)将步骤(1)中得到的WA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麦基碳气凝胶WCA；(3)将步骤(2)中的WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h，得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片N,S‑WCNs。

【技术特征摘要】
1.一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，包括：(1)将经过干燥的小麦进行高温高压处理，得到小麦气凝胶WA；(2)将步骤(1)中得到的WA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麦基碳气凝胶WCA；(3)将步骤(2)中的WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h，得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片N,S-WCNs。2.根据权利要求1所述的一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中干燥的条件为：将小麦在阳光下暴晒三天。3.根据权利要求1所述的一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中高温高压处理的条件为：300～500℃，0.6～0.9MPa的条件下处理5～15...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘天西，赖飞立，缪月娥，李斐，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：上海,31