一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法及该氮磷共掺杂有序介孔碳材料的应用，所述氮磷共掺杂有序介孔碳材料是以有机糖作为碳源，使用介孔模板剂合成有序介孔碳，然后与不同比例的氮磷源混合为溶液并水浴蒸干，所得混合物经过高温煅烧热解实现氮磷共掺杂，随后经去除介孔模板剂后得到高性能的钠离子电池负极材料。采用本发明专利技术方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料具有制备工艺简便，掺杂量高，且作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环性能及大倍率充放电性能，在能量存储领域有着广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及钠离子电池负极材料
，具体地，涉及一种用于钠离子电池负极的氮磷共掺杂有序介孔碳的材料的制备方法。
技术介绍
随着电动车产业以及可再生能源(如风能、太阳能等)在世界范围内的快速发展，锂离子电池由于其优异的电化学性能和诸多优点受到了广泛关注。然而锂元素的储量匮乏和分布不均致使锂离子电池的成本较高，因此发展新的综合性能优异并能满足未来规模化应用需求的电池储能体系受到了广泛关注。得益于钠元素的丰富储量和与锂相似的物理化学性质，钠离子电池被认为是今后在规模储能领域可能替代锂离子电池的最佳候选。因此研究开发可以媲美锂电的高容量，长寿命和优异倍率性能的电极材料是推动钠离子电池发展和应用的关键。钠离子电池负极材料主要包括碳材料和非碳材料（金属及氧硫化物材料，合金材料等）。非碳材料具有高的理论容量，但其导电性差且循环性能不稳定，寿命较短；相较于非碳材料，碳材料具有资源丰富，制备简单等优点，且循环稳定性高，安全性好。因此碳材料是极具希望推动钠离子产业化的关键负极材料。有序介孔碳具有丰富而稳定的介孔结构，有利于降低钠离子扩散能垒和提高电解液的浸润与电极反应，且其有很大的比表面积有利于钠离子的表面吸附和储能，因此有序介孔碳是一种极具前景的钠离子电池负极材料。然而纯的有序介孔碳其导电性并不好，储钠容量也难以满足工业应用的需求。目前研究大多采用杂原子掺杂用以提升碳前体材料的导电性，在碳架构表面造成缺陷，从而提升碳材料对钠离子的吸附能力，改善其电化学性能。Wang等（[J].JournalofMaterialsChemistryA,2015,3,7849-7854）通过在600-900oC下热解明胶和柠檬酸镁，得到含氮多孔碳，在50mAg-1电流密度下循环100圈后的比容量为260mAhg-1。Zhao等（[J].JournalofMaterialsChemistryA,2017,5,24353-24360）以聚二噻吩甲醇为硫源，通过热解经前处理的榴莲皮得到硫掺杂的多孔碳，在100mAg-1电流密度下循环200圈后仍然可以维持264mAhg-1的比容量。相较单原子掺杂，双原子共掺杂不仅可以兼具各自的优势，两者的协同作用对材料的性能也会有很大的提升。Ruan等（[J].Carbon,2018,126,9-16）通过热解聚吡咯膜和硫华得到的氮硫共掺杂碳膜作为钠离子电池负极也显示出较好的可逆容量和循环稳定性，在100mAg-1电流密度下循环1000圈后仍可达到379.1mAhg-1。现有报道中多为单原子（如：氮，硫，磷）掺杂，双原子掺杂碳材料的研究较少，且部分存在着工艺复杂，产率低，成本高，安全隐患等问题。
技术实现思路
本专利技术旨在提供一种制备工艺简单，循环性能稳定且优异的氮磷共掺杂有序介孔碳用于钠离子电池负极材料。本专利技术所采取的技术方案如下。一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述氮磷共掺杂有序介孔碳材料是将1～3份有机单糖或低聚糖的碳源前驱体充分溶解于适量去离子水中，然后加入0.05～0.15份浓硫酸作为脱水剂进行脱水，然后将脱水后的碳源前驱体经超声处理5～15min分散到1份介孔硅模板剂中，然后再经梯度升温干燥，得到有序介孔碳材料中间体；取1份有序介孔碳材料中间体，加入3～7份氮磷源单体，混合均匀后溶于适量去离子水中，然后蒸干去离子水，并将得到的固体产物研磨至粉末状，然后再在惰性气氛下高温热处理，高温热处理后用强碱溶液除去介孔硅模板剂，最后将产物水洗至中性，干燥，得到的固态产品即为氮磷共掺杂有序介孔碳材料。如上所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述有机单糖为葡萄糖或蔗糖，所述低聚糖为麦芽糖或果糖；所述介孔硅模板剂为SBA-1，SBA-15，MCM-48，KIT-6中的任意一种；所述氮磷源单体为磷酸二氢铵，磷酸铵，六氯三聚磷腈中的任意一种。如上所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，蒸干去离子水的步骤为，利用水浴锅，在水浴的温度为60～80℃的条件下，蒸发8～12h。如上所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，梯度升温干燥的过程为，将有序介孔碳和介孔硅模板剂的混合物置于80～110℃干燥4～6h，随后升温至150～180℃继续干燥4～6h；将产物水洗至中性后干燥的过程为，在50～80℃下干燥8～12小时。如上所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，惰性气氛下高温热处理的过程为，在氩气气氛及温度为600～800℃的条件下，高温热处理4～6h。如上所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，高温热处理后用强碱溶液除去介孔硅模板剂的过程为，所述强碱溶液为质量百分数为8～12%的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液。一种上述制备方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料，其特征在于，所述氮磷共掺杂有序介孔碳材料的孔径为4～6nm，氮元素的掺杂量为15～20%，首圈放电电容为1293.8～2136.7mAhg-1，循环100圈后可逆容量为276～386.8mAhg-1。本专利技术还涉及上述氮磷共掺杂有序介孔碳用于钠离子电池负极材料领域，以及提供了一种制备工艺简单，循环性能稳定且优异的钠离子电池负极及其制备方法，其特征在于，首先将氮磷共掺杂有序介孔碳材料研磨为粒径小于10um的粉料，然后将所述粉料与碳黑、聚偏氟乙烯，按质量比为7:2:1混合并研磨均匀，滴加适量分散溶解剂N-甲基吡咯烷酮，搅拌均匀得到糊状物，最后将所述糊状物均匀涂覆在铜箔表面，在真空环境下于80～100℃干燥10～14h，制得钠离子电池负极。与现有技术相比，本专利技术的技术优势和进步在于：（1）本专利技术提供了一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，以有机糖类作为碳源，使用介孔硅模板剂，通过调节氮源和磷源的使用量从而改变氮磷杂原子的掺杂量，在氮磷共掺杂后，有序介孔碳的孔道发生了一定程度的破坏，增加了表面缺陷，有利于钠离子的储存，但同时在整体上仍然保持了有序介孔碳的有序介孔结构，这种特殊的表面结构使得本专利技术方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料具有很大的比表面积用于钠离子的吸附，且其丰富的介孔结构可以有效的提高电解液的浸润性，有利于充分的电化学反应，因此，本专利技术方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料不仅有效地改善了有序介孔碳的导电性，还可以提高其表面吸附钠离子的能力，从而提升了氮磷共掺杂有序介孔碳材料作为钠离子电池负极原料的电化学性能。（2）采用本专利技术方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料进一步制备的电池负极材料，其孔径为4～6nm，氮元素的掺杂量为可到达20%以上，首圈放电电容可提高至2136.7mAhg-1，循环100圈后可逆容量mAhg-1最高可达386.8mAhg-1，相较于对比例中未进行掺杂的有序介孔碳，氮磷共掺杂改性后其循环100圈后的可逆容量提升了19～66%，钠离子电池的循环稳定性和寿命也得到了明显的改善。此外，采用本专利技术提供的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，以及该方法所制备的氮磷共掺杂有序介孔碳材料进一步制备钠离子电池负极的方法，具有整体工艺流程简便，安全性高，且作为钠离子电池负极材料表现出优异的循环性能及大倍率充放电性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述氮磷共掺杂有序介孔碳材料是将1～3份有机单糖或低聚糖的碳源前驱体充分溶解于适量去离子水中，然后加入0.05～0.15份浓硫酸作为脱水剂进行脱水，然后将脱水后的碳源前驱体经超声处理5～15min分散到1份介孔硅模板剂中，然后再经梯度升温干燥，得到有序介孔碳材料中间体；取1份有序介孔碳材料中间体，加入3～7份氮磷源单体，混合均匀后溶于适量去离子水中，然后蒸干去离子水，并将得到的固体产物研磨至粉末状，然后再在惰性气氛下高温热处理，高温热处理后用强碱溶液除去介孔硅模板剂，最后将产物水洗至中性，干燥，得到的固态产品即为氮磷共掺杂有序介孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，按照质量份数计，所述氮磷共掺杂有序介孔碳材料是将1～3份有机单糖或低聚糖的碳源前驱体充分溶解于适量去离子水中，然后加入0.05～0.15份浓硫酸作为脱水剂进行脱水，然后将脱水后的碳源前驱体经超声处理5～15min分散到1份介孔硅模板剂中，然后再经梯度升温干燥，得到有序介孔碳材料中间体；取1份有序介孔碳材料中间体，加入3～7份氮磷源单体，混合均匀后溶于适量去离子水中，然后蒸干去离子水，并将得到的固体产物研磨至粉末状，然后再在惰性气氛下高温热处理，高温热处理后用强碱溶液除去介孔硅模板剂，最后将产物水洗至中性，干燥，得到的固态产品即为氮磷共掺杂有序介孔碳材料。2.根据权利要求1所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述有机单糖为葡萄糖或蔗糖，所述低聚糖为麦芽糖或果糖；所述介孔硅模板剂为SBA-1，SBA-15，MCM-48，KIT-6中的任意一种；所述氮磷源单体为磷酸二氢铵，磷酸铵，六氯三聚磷腈中的任意一种。3.根据权利要求1或2所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，蒸干去离子水的步骤为，利用水浴锅，在水浴的温度为60～80℃的条件下，蒸发8～12h。4.根据权利要求1或2所述的氮磷共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于，梯度升温干燥的过程为，将有序介孔碳和介孔硅模板剂的混合物置于80～110℃干燥4～6h，随后升温至150～180℃继续干燥4～6h；将产物水洗至中性...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵翰庆，叶建岐，李忠，宋玮，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14