氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用，该氮掺杂碳纳米材料的制备方法包括：将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。高含量氮的均匀分布以及复合材料中的多孔结构使得该高氮碳材料(NC)兼具大的比表面积和孔体积、高分散的氮原子位点、绝佳的导电性。将其应用于金属硫电池能有效的解决金属硫电池中硫正极低的导电率，反应过程中多硫化物的穿梭效应等问题，可有效提高电池的电化学性能。可有效提高电池的电化学性能。可有效提高电池的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用


[0001]本专利技术电化学储能技术
，具体而言，涉及一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池。

技术介绍

[0002]随着新时代的快速发展，温室效应和能源危机已成为全球经济可持续发展的重大阻碍，为减少石油消耗、保障能源安全和发展低碳经济，新能源的发展已然成为世界各国科技发展的重要战略目标。目前新能源汽车的发展尤为迅猛，商业化的电动汽车动力和储能系统主要以锂离子电池为主，但因其比能量密度低(150
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200瓦时/公斤)、电动汽车的续航里程短、原材料购置成本高、电池自然等问题使其无法完全替代燃油汽车。因此，发展安全、高能量密度、低成本电池体系迫在眉睫。
[0003]金属硫电池具有极高的理论能量密度，被视为最具前景的下一代储能电池体系之一。不同于传统的锂离子材料，单质硫(S8)中每个硫原子(S)可以得到两个电子从而实现1675mAh/g的电容量。但是，目前金属硫电池还存在循环过程中稳定性差的问题，限制了金属硫电池的应用。
[0004]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池，以改善上述技术问题。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]第一方面，本专利技术提供了一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其包括：
[0008]将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。
[0009]第二方面，本专利技术还提供了一种氮掺杂碳纳米材料，其由上述氮掺杂碳纳米材料的制备方法制备得到。
[0010]第三方面，本专利技术还提供了一种金属硫电池正极，其包括集流体，以及设置于集流体表层的正极活性材料，所述正极活性材料包括上述氮掺杂碳纳米材料。
[0011]第四方面，本专利技术还提供了一种功能性隔膜，其包括商业化隔膜以及上述氮掺杂碳纳米材料；
[0012]可选地，商业化隔膜为玻璃纤维隔膜；
[0013]可选地，功能性隔膜主要由以下步骤得到：将氮掺杂碳纳米材料的均匀分散液在分散于玻璃纤维隔膜上，干燥，得到所述功能性隔膜。
[0014]第五方面，本专利技术还提供了一种钾硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为钾片。
[0015]可选地，电解液为KTFSI的DEG/DME溶液。
[0016]第五方面，本专利技术还提供了一种锂硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电
池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为锂片。
[0017]可选地，电解液为LiTFSI的DOL/DME溶液。
[0018]本专利技术具有以下有益效果：通过采用聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化制备得到的氮掺杂碳纳米材料材料，高含量氮的均匀分布以及复合材料中的多孔结构提供了丰富的催化位点，实现了催化剂的高效吸附催化特性；该氮掺杂碳纳米材料材料可用于金属硫电池硫正极的载体材料和/或功能性隔膜的修饰材料共同作用于金属硫电池，使得金属硫电池表现出优异的电化学性能，为金属硫电池的进一步发展提供了理论基础和技术支撑。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0020]图1为本专利技术实施例1、2、3制备材料的XRD图；
[0021]图2为本专利技术实施例1制备材料的SEM图；
[0022]图3为本专利技术实施例1制备材料的Mapping图；
[0023]图4为本专利技术实施例1、2、3制备材料的Raman图；
[0024]图5为本专利技术实施例2制备材料的SEM图；
[0025]图6为本专利技术实施例3制备材料的SEM图；
[0026]图7为本专利技术实施例1、2、3制备电池的循环性能图；
[0027]图8为本专利技术实施例1制备电池的比容量电压图；
[0028]图9为本专利技术实施例4制备电池的循环性能图；
[0029]图10为本专利技术对比例1制备电池的比容量电压图。
具体实施方式
[0030]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0031]在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
[0032]除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属
内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本申请所涉及的“多个”是指大于
或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
[0033]下面对本专利技术提供的一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池进行具体说明。
[0034]专利技术人经过研究发现，目前造成金属硫电池在循环过程中稳定性差的原因主要包含以下几个方面：第一，活性物质硫及反应产物硫化钾低的电导率导致低硫的利用率、反应过程中可溶性多硫化物严重的穿梭效应、以及金属钾和锂负极表面形成钝化层而影响金属的活性等导致了金属硫电池差的循环稳定性。
[0035]鉴于此，专利技术人创造性的提出了一种高氮含量的高导电性碳即一种氮掺杂碳纳米材料，该氮掺杂碳纳米材料改善了活性物质硫及放电产物的导电性，并且高且广的氮分散可有效锚定反应过程中可溶性的多硫化物，有效抑制其穿梭效应，进而使得金属硫电池表现出优异的电化学性能，为金属硫电池的实际应用提供了理论基础和技术支撑。具体方案如下：
[0036]第一方面，本专利技术的一些实施方式提供了一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其包括：将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。即将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下高温处本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其特征在于，其包括：将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料由三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯反应生成；优选地，所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料主要由以下步骤制备：将所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯在有机溶剂中进行反应；优选地，反应温度为175℃～200℃，更优选180℃，反应时间为48h～96h，优选72h；优选地，所述有机溶剂为二甲基亚砜；优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：(0.1～0.3)，更优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：0.2；优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的反应为油浴反应；优选地，先将所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛溶解于所述有机溶剂后，再加入所述氧化石墨烯，混合均匀后反应；、优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的反应在惰性环境下进行；优选地，将反应后的溶液进行固液分离，并对固体进行洗涤；优选地，还包括对反应生成的所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料进行研磨。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的温度为800℃～1000℃；优选地，进行所述碳化处理是在800℃～1000℃的温度下保温1h以上，优选1～2h；优选地，进行所述碳化处理时，升温速率为5～10℃/min，优选5℃/min；优选地，所述碳化处理在管式炉中进行。4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述惰性环境为惰...

【专利技术属性】
技术研发人员：许冠南，徐惠芳，江庆斌，
申请(专利权)人：澳门大学，
类型：发明
国别省市：