一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于钾离子电池技术领域，涉及一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用。将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。本发明专利技术通过掺杂磷构建具有足够缺陷和边缘位点的N掺杂碳材料，实现较高的活性N比例，提高钾的存储性能，同时能够以经济高效的方法得到具有电导率高、倍率性能好，循环稳定性强的先进电极材料。循环稳定性强的先进电极材料。循环稳定性强的先进电极材料。

【技术实现步骤摘要】
一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于钾离子电池
，涉及一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
[0003]氮原子掺杂是提高碳质材料作为钾离子电池负极材料的储钾性能的有效方法之一，可以有效地调整表面官能团、局部电子结构和化学性质，提高电子电导率、电解质润湿性并产生更强的储钾活性位点以提高储钾性能。专利技术人研究发现，N缺陷位点的类型(吡啶
‑
N、吡咯
‑
N或石墨
‑
N)在储能装置中起着关键作用，掺杂碳的活性N含量可能决定其反应特性。与石墨
‑
N相比，吡啶
‑
N和吡咯
‑
N在能量上更有利于离子存储，因为它们可以诱导足够的缺陷，提供更多的活性位点，提高反应性和电子导电性。而目前氮原子掺杂的碳质材料具有的缺陷和边缘位点较少，使得活性氮比例较低，因而使得氮原子掺杂的碳质材料钾的存储性能有待提高。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用，通过掺杂磷构建具有足够缺陷和边缘位点的N掺杂碳材料，实现较高的活性N比例，提高钾的存储性能，同时能够以经济高效的方法得到具有电导率高、倍率性能好，循环稳定性强的先进电极材料。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0006]一方面，一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。
[0007]本专利技术制备的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片(P
‑
N/C)具有二维多孔结构，且该二维多孔结构具有较大的层间距、丰富的孔缺陷和边缘，可以有效地减少K
+
扩散距离并促进K
+
扩散动力学。同时，通过额外的P掺杂，P
‑
N/C负极具有更大的比表面积、优越的电导率和更高的吡咯
‑
N和吡啶
‑
N含量，不仅可以暴露更多可接近的活性位点，增加界面K
+
吸附反应，而且还能加速电子传递，促进循环过程中的电荷转移动力学，展现出优异的电化学性能。
[0008]另外，本专利技术经过研究发现，过渡金属硝酸盐中阴离子影响材料的形貌结构，采用硝酸盐时能够获得本专利技术所述的形貌结构。
[0009]另一方面，一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片，由上述制备方法获得。本专利技术制备的P
‑
N/C具有二维多孔结构、大的比表面积、独特的磷掺杂氮富余的结构体系以及出色的电子
电导率和更多的活性位点，这些特性通过其出色的协同效应而表现出优异的电化学性能。
[0010]第三方面，一种上述磷掺杂的富氮多孔碳纳米片在钾离子电池中的应用。尤其是在钾离子电池负极中的应用。
[0011]第四方面，一种钾离子电池负极，包括集流体和活性成分，所述活性成分为上述磷掺杂的富氮多孔碳纳米片。
[0012]第五方面，一种钾离子电池，包括上述钾离子电池负极、对电极、隔膜及电解液。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0014](1)本专利技术选用过渡金属硝酸盐和六亚甲基四胺(HMT)在乙醇溶液中通过氢键作用形成具有特殊结构的金属六胺框架前驱体。
[0015](2)本专利技术N/C前驱体的制备过程采用氢键组装和热解策略，简单高效。
[0016](3)本专利技术中磷掺杂的富氮多孔碳纳米片提升了活性氮含量，制备方法简单，可操作性强。
[0017](4)本专利技术煅烧磷化过程所用温度低，煅烧时间短，可减少能源消耗。
[0018](5)本专利技术合成的P
‑
N/C具有大的比表面积，独特的二维多孔结构以及出色的电导率和更多的活性位点，这些特性通过其出色的协同效应而具有出色的电化学性能。
[0019](6)本专利技术涉及到一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片，P原子掺杂调节了活性氮的含量为其在电子的传导提供了更多的活性位点，为拓宽能源材料体系起到一定的借鉴作用。
附图说明
[0020]构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0021]图1是本专利技术实施例制1制备的二维多孔N/C纳米片和磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的X射线衍射图谱(XRD)。
[0022]图2是本专利技术实施例制1制备过程中制备的二维N/C纳米片扫描电镜图(SEM)。
[0023]图3是本专利技术实施例1制备的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的透射电镜图(TEM)。
[0024]图4为本专利技术实施例1制备的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片C、N、P元素的Mapping图。
[0025]图5为本专利技术实施例1制备的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的N1s的XPS图。
[0026]图6为本专利技术实施例4制备的钾离子电池的倍率性能曲线图。
[0027]图7为本专利技术实施例4制备的钾离子电池长循环性能曲线和库伦效率图。
具体实施方式
[0028]应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0029]需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0030]鉴于现有的已经采取对碳质材料的构建孔隙结构、杂原子掺杂和制备碳基纳米复
合材料制备方法结构不可控、活性位点少、可逆容量较低等问题，本专利技术提出了一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用。
[0031]本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。
[0032]本专利技术的制备方法能够制备出磷掺杂的富氮多孔碳纳米片，而且能够解决吡咯
‑
N和吡啶
‑
N含量低活性差、制备过程反应复杂和环境污染等问题。
[0033]本专利技术过渡金属硝酸盐本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。2.如权利要求1所述的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，其特征是，过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺的摩尔比为1:1～3；或，N/C前驱体与次磷酸钠的质量比为1:5～10。3.如权利要求1所述的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，其特征是，过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺反应过程中，温度为25～45℃，反应时间为18～30h；或，热解处理的温度为800～1000℃，时间为1～3h。4.如权利要求1所述的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，其特征是，过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺...

【专利技术属性】
技术研发人员：周国伟，董旭晟，赵瑞正，孙彬，高婷婷，李华鹏，
申请(专利权)人：齐鲁工业大学，
类型：发明
国别省市：