一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶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三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料及其制备方法和应用，先将三维导电网络前驱体处理备用；再将葡萄糖溶液和熔融石蜡乳化获得水包油型乳液，加入三维导电网络前驱体、氢氧化镍、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵，经冷冻干燥后300～600℃下得到碳气凝胶材料前驱体；碳气凝胶材料前驱体和氢氧化钾溶液混合蒸干，再将其在700～900℃下高温碳化后即得三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料。本发明专利技术通过在碳气凝胶材料中共同原位掺入了一、二维生物碳和金属镍，共同形成了三维导电网络结构，以提升碳气凝胶材料本身的机械强度，还可以提升碳气凝胶材料的导电性能，进一步提升碳气凝胶材料的电化学性能。进一步提升碳气凝胶材料的电化学性能。进一步提升碳气凝胶材料的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于碳材料
，具体涉及一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]碳气凝胶材料是一种新型的碳材料，因其具有丰富的纳米级孔径，高比表面积(600～1100m2/g)，高电导率、物理化学性能稳定，结构可控和易于掺杂等特点被广泛的应用于吸附、能量储存、转换、隔热、航天航空等领域。
[0003]自20世纪30年代开始气凝胶被发现开始，已经有多种如硅气凝胶、金属泡沫、CNT气凝胶等多种超轻多孔材料被制备出来，而碳气凝胶材料因其拥有孔径可控、密度低、导电性好、导热性低等优点被认为是理想的储能材料、催化剂、催化剂载体、化学吸附剂、热绝缘体和隔音材料等。
[0004]碳气凝胶材料因其独特的孔结构及其性能，在电化学能源领域方面的应用及研究已经成为近年来研究的热门领域之一，尤其是在锂二次电池领域，近年来已经有了一定程度的运用并取得了一些进展。比如：(1)碳气凝胶材料及其复合材料可以在电池中作为电催化剂的载体或者直接充当其电化学过程的催化剂，因为碳气凝胶材料及其复合材料的特殊结构，其可以使得金属颗粒能够均匀分散，提高催化剂的电化学有效表面积、催化活性及燃料电池的性能，同时其应用可以降低成本，提高催化剂利用率及催化活性。(2)碳气凝胶材料可以直接充当锂硫电池的电极材料，碳气凝胶材料拥有较高的电导率的同时其孔洞丰富比表面积大，可以使得锂硫电池在充放电过程中的硫不易溶出，提升电池的循环性能。(3)利用碳气凝胶材料具有易复合的特性，可以对碳气凝胶材料进行进一步的碳材料掺杂，碳颗粒在提升碳气凝胶材料电导率和物理强度的同时，还可以进一步丰富碳气凝胶材料内部的结构，形成导电框架，提升材料的电化学性能。
[0005]虽然碳气凝胶材料拥有许多优点，但是用作某些特定领域时，其结构与性能仍可以做进一步提升。如用作电极材料，特别是用作锂硫电池电极材料时，碳气凝胶材料固有的大孔径问题依然会影响其在作为锂硫电池等电池的电极材料载体时对多硫化物的吸附，无法保证锂硫电池在高循环时的性能稳定。其次碳气凝胶材料本身的导电性也对电池的循环性能起着决定性的影响。此外，碳气凝胶本身以物理吸附为主，对多硫化物的化学吸附作用较弱，因此难以有效保障硫正极的循环稳定性。而且传统的碳气凝胶材料的制造方法不仅繁复而且在制造过程中会用到有毒的醛类物质，因此进一步改进碳气凝胶材料的制备方法，提升其性能，使其在电池等领域方面的应用扩展显得尤为重要。

技术实现思路

[0006]针对现有存在的碳气凝胶材料存在的制作工艺繁复，比表面积较小，导电性欠佳，对多硫化物无化学吸附作用的问题，本专利技术的目的是提供一种三维导电网络增强的镍掺杂
碳气凝胶材料及其制备方法和应用，通过在碳气凝胶材料中共同原位掺入了一维生物碳(如碳微米管、碳纤维材料)、二维生物碳(如类石墨烯材料)和金属镍，共同形成了三维导电网络结构，以提升碳气凝胶材料本身的机械强度，还可以提升碳气凝胶材料的导电性能，进一步提升碳气凝胶材料的电化学性能、吸附性能、催化性能。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采取如下技术方案：
[0008]一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将三维导电网络生物质前驱体经过水洗、酸洗、水洗后干燥备用；
[0010](2)将葡萄糖水溶液和熔融石蜡混合均匀后乳化获得水包油型乳液，之后加入步骤(1)中备用的三维导电网络生物质前驱体，再加入氢氧化镍、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合水凝胶，经冷冻干燥后在300～600℃下进行预碳化后得到碳气凝胶材料前驱体；
[0011](3)将步骤(2)中得到的碳气凝胶材料前驱体和氢氧化钾溶液混合均匀后蒸干，再将其在700～900℃下高温碳化后即得三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料。
[0012]优选的，步骤(1)中，所述三维导电网络生物质前驱体包括一维生物碳基前驱体和二维生物碳基前驱体；一维生物碳基前驱体选自脱脂棉、梧桐絮和蒲绒中的至少一种；二维生物碳基前驱体选自花生果壳、木槿花花瓣和木兰花花瓣中的至少一种。
[0013]更优选的，所述一维生物碳基前驱体和二维生物碳基前驱体的质量比为1：1～3。
[0014]优选的，步骤(1)中，三维导电网络生物质前驱体先用去离子水清洗后，再在30～35wt％盐酸或10～30wt％硝酸中浸泡8～12h，然后再用离子水清洗至中性，最后在60～100℃下干燥备用。
[0015]优选的，步骤(2)中，按葡萄糖：石蜡＝3～5：1的质量比在70℃下混合均匀，三维导电网络生物质前驱体的加入量为葡萄糖的10～50wt％，氢氧化镍添加量为石蜡的0.8～2.0wt％；丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺、过硫酸铵和葡萄糖的质量比为9：1：2：30。
[0016]优选的，步骤(3)中，按氢氧化钾：碳气凝胶材料前驱体＝2～5：1的质量比在100～150℃下浸渍12h，然后在700～900℃下高温碳化2～4h，之后经稀盐酸酸洗、水洗至中性后得到三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料。
[0017]本专利技术还提供了上述制备方法制得的三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料。
[0018]本专利技术还提供了上述三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料的应用，将其用于制备锂硫电池正极材料。
[0019]专利技术人发现，一维生物碳(如碳微米管、碳纤维材料)尺寸小，碳微米管或碳纤维材料之间的相互接触较少，不利于电子在整个线性网络中的有效传输，本专利技术在碳气凝胶材料内共同原位掺入了一维生物碳(如碳微米管、碳纤维材料)和二维生物碳(如类石墨烯材料)，在加入二维生物碳材料之后，将有效增强一维生物碳与二维生物碳(类石墨烯材料)之间的物理接触，形成接触良好的三维空间导电网络，并且掺杂的镍本身导电性良好，从而协同提升整个复合材料的导电性，同时基于碳材料(一维生物碳和二维生物碳)自身优异的机械性能，还可以提升碳气凝胶材料的机械性能。
[0020]本专利技术中形成的一维生物碳和二维生物碳，前期经酸处理之后，表面能形成大量亲水基团，从而与制备的水凝胶紧密结合，能有效减弱碳化过程中一、二维生物碳材料与碳气凝胶之间的界面，有利于电子与离子在碳壁中的传输。此外，本专利技术中采用葡萄糖作为碳
源制备的碳气凝胶为硬碳，导电性欠佳。而一、二维前驱体材料在碳化过程中能被有效石墨化，同时还掺杂导电性良好的金属镍，从而协同提高碳气凝胶材料的导电性。
[0021]本专利技术中，在原位共掺一维生物碳和二维生物碳的同时，还掺杂有镍。首先，镍金属本身作为过渡族金属具有良好的催化性能，有利于加快碳气凝胶材料在作为锂硫电池正极时的反应动力学，减少锂硫电池活性物质的损失；其次，镍金属自身导电性能良好，在掺入碳气凝胶材料之后可以协同一维生物碳和二维生物碳形成的三维导电网络提高碳气凝胶材料的导电性；再次，镍金属本身具有强化学吸附作用，利用镍金属形成化学键对锂硫电池中多硫本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将三维导电网络生物质前驱体经过水洗、酸洗、水洗后干燥备用；(2)将葡萄糖水溶液和熔融石蜡混合均匀后乳化获得水包油型乳液，之后加入步骤(1)中备用的三维导电网络生物质前驱体，再加入氢氧化镍、丙烯酰胺、亚甲基双丙烯酰胺和过硫酸铵得复合水凝胶，经冷冻干燥后在300～600℃下进行预碳化后得到碳气凝胶材料前驱体；(3)将步骤(2)中得到的碳气凝胶材料前驱体和氢氧化钾溶液混合均匀后蒸干，再将其在700～900℃下高温碳化后即得三维导电网络增强的镍掺杂碳气凝胶材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所述三维导电网络生物质前驱体包括一维生物碳基前驱体和二维生物碳基前驱体；一维生物碳基前驱体选自脱脂棉、梧桐絮和蒲绒中的至少一种；二维生物碳基前驱体选自花生果壳、木槿花花瓣和木兰花花瓣中的至少一种。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述一维生物碳基前驱体和二维生物碳基前驱体的质量比为1：1～3。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷维新，王子航，付国立，马增胜，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：