一种植物碳载金属化合物纳米复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种植物碳载金属化合物纳米复合材料及其制备方法和应用，通过选取植物质浸渍于过渡金属含氧酸盐溶液中，经过冻干热解碳化得到了碳载金属化合物纳米复合材料。本发明专利技术利用植物的毛细作用和浓差作用吸附无机盐，借助无机助剂的限域支撑作用，在冻干碳化过程保留植物的天然有序结构和元素组分，为金属离子在循环过程中提供通畅的嵌脱通道，确保了金属离子的快速传输；利用过渡金属含氧酸盐助剂具备的模板、掺杂和活化作用诱导杂原子均匀掺杂，形成分级多孔炭结构，为离子提供大量活性位点，有利于金属的均匀沉积，有效提高容量；同时过渡金属含氧酸盐在碳化过程还原得到的金属化合物，可诱导金属离子在其表面均匀成核，进一步提高容量。因此，该植物碳载金属化合物纳米复合材料作为二次电池负极材料时，表现出优异的储能与快充性能。优异的储能与快充性能。优异的储能与快充性能。

【技术实现步骤摘要】
一种植物碳载金属化合物纳米复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及纳米复合材料
，具体涉及一种植物碳载金属化合物纳米复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]面对日益加剧的能源环境问题，推广使用清洁能源成为实现可持续发展的最有效方式之一。作为储能器件，二次电池可以实现清洁能源的存储和利用。但其性能仍需进一步提高，成本仍需进一步降低。因此，开发出高性能、低成本的电极材料对于二次电池的大规模应用具有重要意义。
[0003]碳基电极材料具有导电性好、来源广泛、化学性质稳定、成本低等优点。然而商业化的石墨负极材料存在循环性能差、比容量低等缺点。不同于石墨负极材料，负载金属化合物的炭纳米材料可以作为优异的二次电池负极材料。借助助剂的限域支撑作用，可以保留炭材料原有结构和组分；金属化合物和高比表面积提供了大量成核位点，使得炭纳米材料具有高的可逆容量。
[0004]植物是制备负载金属化合物碳纳米材料的理想前驱体。植物具有天然的形貌结构和化学组分，通过热解控制，植物天然的一维、二维和三维结构被部分保留下来，同时植物本身含有的氧、氮、硫、磷等非碳元素在热解过程中可以直接实现杂原子的原位掺杂。但在材料制备过程中仍面临诸多问题。首先，植物的天然微纳结构和化学组成难以保留，有机组分的大量流失和碳化重构使得植物原有的天然微纳结构失去稳定性而发生坍塌。其次，由于助剂在植物体内分布不均且大都分布在表面，导致助剂仅在植物体表面进行造孔和掺杂且分布不均，植物基炭材料的形貌结构和化学组成难以调控。因此，如何设计简单高效的方案，以植物为前驱体精确调控碳材料的形貌结构和化学组分，实现低成本、高性能植物碳载金属化合物纳米材料的制备对推动二次电池的大规模应用具有重要意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术要解决的技术问题在于克服现有技术无法有效解决二次金属/离子电池的负极材料存在的容量受限、离子快速传输，金属在电极表面沉积不均匀、枝晶易生长、体积不可逆膨胀、安全性较差等技术问题。本专利技术提供一种植物碳载金属化合物纳米材料，通过选取植物质浸渍于过渡金属含氧酸盐溶液中，经过冻干热解碳化得到了碳载金属化合物纳米材料。本专利技术利用植物的毛细作用和浓差作用吸附无机盐，借助无机助剂的限域支撑作用，在冻干碳化过程保留植物的天然有序结构和元素组分，为金属离子在循环过程中提供通畅的嵌脱通道，确保了金属离子的快速传输；利用过渡金属含氧酸盐助剂具备的模板、掺杂和活化作用诱导杂原子均匀掺杂，形成分级多孔炭结构，为离子提供大量活性位点，有利于金属的均匀沉积，有效提高容量；同时过渡金属含氧酸盐在碳化过程还原得到的金属化合物，可诱导金属离子在其表面均匀成核，进一步提高容量。因此，该植物碳载金属化合物纳米材料作为二次电池负极材料时，表现出优异的储能与快充性能。
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种植物碳载金属化合物纳米复合材料，所述纳米复合材料均匀负载金属化合物，所述金属化合物包括：碳化钛、氮化钛、氧化钛、硫化钛、氧化钒、硫化钒、氧化铬、硫化铬、氧化锰、碳化铁、氧化铁、磷化铁、硫化铁、氯化铁、氧化钴、磷化钴、硫化钴、氮化镍、氧化镍、硫化镍、氧化铜、硫化铜、氧化锌、硫化锌、氯化锌及同族金属化合物中的一种或几种。
[0007]优选的，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为一维纤维结构，材料的长径比为100:1
‑
10000:1；
[0008]或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为二维结构，材料长宽比为1:1
‑
500:1；材料厚度范围为0.01μm
‑
10μm，厚宽比为1:10
‑
1:1000；
[0009]或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为三维管道结构，材料长径比为10:1
‑
1000:1；直径范围为0.1μm
‑
10μm；
[0010]或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为三维球状多孔结构结构，材料直径范围为1μm
‑
100μm。
[0011]优选的，所述的植物碳载金属化合物纳米复合材料，所述氮的原子百分比为0.1
‑
10at.％；
[0012]和/或，所述氧的原子百分比为1
‑
15at.％；
[0013]和/或，所述硫的原子百分比为1
‑
20at.％；
[0014]和/或，所述磷的原子百分比为0.1
‑
10at.％；
[0015]和/或，所述金属的原子百分比为1
‑
20at.％。
[0016]优选的，所述的植物碳载金属化合物纳米复合材料的孔径范围在0.001μm
‑
10μm；
[0017]和/或，孔容范围为0.01cm3/g
‑
1cm3/g；
[0018]和/或，比表面积为5m2/g
‑
5000m2/g。
[0019]本专利技术还保护一种植物碳载金属化合物纳米复合材料的制备方法，包括如下步骤：将植物质浸渍于过渡金属含氧酸盐溶液中，再将植物质依次进行干燥、碳化、水洗烘干处理，得到所述植物碳载金属化合物纳米材料。
[0020]优选的，所述植物质前驱体包括：豆根、麻杆、花粉、紫菜、杨絮、棉花、大豆、银杏叶、南瓜子、玉米芯中的至少一种；
[0021]所述过渡金属含氧酸盐包括：硫酸钛、硫酸锰、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍、硫酸铜、硫酸锌、硝酸铬、硝酸锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锌、氯酸铜、氯酸锌、草酸钒及同族金属含氧酸盐等中的至少一种；
[0022]优选的，所述过渡金属含氧酸盐浸渍溶液的浓度范围在0.001g/cm3‑
1 g/cm3，植物质前驱体与过渡金属含氧酸盐的质量比范围为1:1
‑
100:1，浸渍时间为3h
‑
10h。
[0023]优选的，碳化前干燥的工艺条件包括常温干燥、真空干燥、加热干燥或冷冻干燥中的一种或多种；更为优选的，所述冷冻干燥的工艺条件包括：将所述过渡金属含氧酸盐浸渍溶液移至塑料培养皿中，将培养皿放入冻干机中预冻12h后冻干48h。
[0024]优选的，所述碳化的过程包括：将干燥后的样品在氩气氛围下，在惰性氛围下以1
‑
20℃/min的升温速率升温至100
‑
250℃后保温0.5
‑
2h；然后以相同的升温速率升温至600
‑
2800℃后保温1
‑
3h；待样品温度冷却至室温时，取出样品。更为优选的，将干燥后的样品置于瓷舟中。将瓷舟置于管式炉中，在惰性氛围下，以2.5℃/min的升温速率升温至150℃后保
温30min；然后以相同的升温速率升温至600℃后保温1h；待样品温度冷却至室温时，取出瓷舟中的样品。
[0025]和/或，所述水洗过程本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植物碳载金属化合物纳米复合材料，其特征在于，所述纳米复合材料均匀负载金属化合物，所述金属化合物包括：碳化钛、氮化钛、氧化钛、硫化钛、氧化钒、硫化钒、氧化铬、硫化铬、氧化锰、碳化铁、氧化铁、磷化铁、硫化铁、氯化铁、氧化钴、磷化钴、硫化钴、氮化镍、氧化镍、硫化镍、氧化铜、硫化铜、氧化锌、硫化锌、氯化锌及同族金属化合物中的一种或几种。2.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为一维纤维结构，材料的长径比为100:1
‑
10000:1；或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为二维结构，材料长宽比为1:1
‑
500:1；材料厚度范围为0.01μm
‑
10μm，厚宽比为1:10
‑
1:1000；或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为三维管道结构，材料长径比为10:1
‑
1000:1；直径范围为0.1μm
‑
10μm；或，所述植物碳载金属化合物纳米复合材料的结构为三维球状多孔结构结构，材料直径范围为1μm
‑
100μm。3.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述的植物碳载金属化合物纳米复合材料，所述氮的原子百分比为0.1
‑
10at.％；和/或，所述氧的原子百分比为1
‑
15at.％；和/或，所述硫的原子百分比为1
‑
20at.％；和/或，所述磷的原子百分比为0.1
‑
10at.％；和/或，所述金属的原子百分比为1
‑
20at.％。4.根据权利要求1所述的纳米复合材料，其特征在于，所述的植物碳载金属化合物纳米复合材料的孔径范围在0.001μm
‑
10μm；和/或，孔容范围为0.01cm3/g
‑
1cm3/g；和/或，比表面积为5m2/g
‑
5000m2/g。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的纳米复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将植物质浸渍于过渡金属含氧酸盐溶液中，再将植物质依次进行干燥、碳化、水洗烘干处理，得到所述植物碳载金属化合物纳米材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：王峰，曹玮珊，牛津，谢海波，刘梦月，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：