一种基于ZIF-8的N掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法与应用技术

技术编号：40432499 阅读：7 留言：0更新日期：2024-02-22 22:58

本发明专利技术公开了一种基于ZIF‑8的N掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法与应用。包括以下步骤：（1）以Zn(NO<subgt;3</subgt;)<subgt;2</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O和2‑甲基咪唑为原料，以甲醇为溶剂，制备沸石型咪唑骨架‑8 ZIF‑8；（2）以ZIF‑8为原料，经高温煅烧，盐酸浸泡，抽滤洗涤，得到黑色粉末氮掺杂多孔碳材料N‑PC；（3）以偏钒酸铵为钒源、磷酸二氢铵为磷源、氟化钠为氟源、柠檬酸为还原剂，氮掺杂多孔碳材料N‑PC为碳源，超纯水作为溶剂，经喷雾干燥结合高温烧结法，原位制备Na<subgt;3</subgt;V<subgt;2</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;F<subgt;3</subgt;/N‑PC复合材料。复合材料中Na<subgt;3</subgt;V<subgt;2</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;F<subgt;3</subgt;具有空心球结构，氮掺杂多孔碳材料N‑PC紧紧附着在Na<subgt;3</subgt;V<subgt;2</subgt;(PO<subgt;4</subgt;)<subgt;2</subgt;F<subgt;3</subgt;表面和空心球内部，这有利于材料中钠离子脱嵌，有利于抑制多次充放电循环后，微观结构的崩塌所导致的容量衰减。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于钠离子电池正极材料制备，具体涉及一种基于zif-8的n掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法与应用。

技术介绍

1、具有nasicon结构的na3v2(po4)2f3(nvpf)以其高的离子电导率、高的工作电压，以及稳定的三维骨架结构而受到人们的广泛关注。但na3v2(po4)2f3(nvpf)被报道有导电性差和离子扩散速率差的不足，使其难以表现出高倍率性能和长循环寿命等优异的电化学性能，这一问题被认为是阻碍nvpf在电池正极材料应用时速率提升和容量保持的重要因素。研究人员已经提出了几种策略来克服na3v2(po4)2f3这些缺点，其中最流行的是na3v2(po4)2f3与导电多孔纳米材料（如石墨烯、碳纳米管和炭黑）的集成。碳材料杂原子（氮、硫、磷和碘）掺杂一直是调节电极材料电化学活性和提高化学反应性的有效策略。尤其是氮掺杂是通过产生外部缺陷来提高碳材料的反应性和电子导电性的一种有效方法。

2、据文献报道在碳材料结构中掺杂氮原子，材料电导率和比容量均有所提高。huang等报道了以聚吡咯为前驱体的n掺杂碳纳米纤维，在电流密度为20 a/g时，可提供73 mah/g的可逆容量。yang小组发现，以聚多巴胺为氮源的氮掺杂碳片在电流密度为50 ma/g时，容量为382 ma h/g。这些研究清楚地表明，氮掺杂多孔碳(n-pc)可以表现出更好的钠离子电池（sib）电化学性能。

3、近年来，直接热解金属有机骨架材料(mofs)被证明是一种合成多孔碳材料的简便方法。由mofs衍生出来的碳材料与普

4、沸石型咪唑骨架-8 (zif-8)作为一种金属有机骨架材料(mofs)，经热解后将其结构中的zn全部蒸发，而获得氮掺杂多孔碳材料(n-pc)，n-pc的多孔性和氮掺杂，使之成为一种理想可用于改性的碳材料。本专利采用经zif-8获得的氮掺杂多孔碳材料(n-pc)作为钠离子电池sibs正极的导电支架，旨在解决na3v2(po4)2f3电极材料的导电性差和离子扩散速率差的问题。

技术实现思路

1、专利技术目的：本专利技术的目的在于为克服na3v2(po4)2f3导电性差和离子扩散速率差的不足，提供了一种借助zif-8制备氮掺杂多孔碳材料的结构优势，改性na3v2(po4)2f3，以提高na3v2(po4)2f3的电化学性能的方法。

2、为达到以上专利技术目的，提出以下技术方案：

3、一种基于zif-8为模板的n掺杂碳改性钠离子电池正极材料na3v2(po4)2f3，该正极材料由na3v2(po4)2f3和经zif-8而获得的氮掺杂多孔碳材料(n-pc)组成，其微观形貌特征为na3v2(po4)2f3具有空心球结构，氮掺杂多孔碳材料（n-pc）紧紧的附着在na3v2(po4)2f3表面和空心球内部，比表面积为5.100 m2/g，平均孔径为14.684 nm。

4、一种基于zif-8为模板的n掺杂碳改性钠离子电池正极材料na3v2(po4)2f的制备方法，包括以下步骤：

5、1.zif-8的制备

6、称取1.468 g的zn(no3)2·6h2o并将其溶解到100 ml的甲醇溶液中，在室温（25℃）下搅拌5 min后得到混合液a。再称取1.622 g的2-甲基咪唑（2-meim）并溶解到100 ml的甲醇溶液中，同样在室温下搅拌5 min后得到混合液b。将b迅速与a混合，并在室温下剧烈搅拌1 h，得到白色乳浊液，将白色乳浊液封上保鲜膜后静置24 h。在10000 r/min的转速下将静置了24 h的白色乳浊液进行离心，取沉淀用甲醇洗涤三次，最后放在真空干燥箱内，60℃干燥12 h，获得zif-8样品材料。

7、2.氮掺杂多孔碳材料的制备

8、称取一定量的zif-8白色粉末样品，倒入坩埚中，在氩气(ar)气氛下，以5℃/min的升温速率分别升温至900℃，并保温3 h，降温速率为3℃/min，降到室温后，即得到了黑色粉末样品。用烧杯称取0.2 g的该黑色粉末，加入浓度为4 mol/l的盐酸，在磁力搅拌器上搅拌过夜，去除zif-8样品中的zn单质，最后抽滤，沉淀用去离子水洗涤直至中性，放入到鼓风干燥箱中，60℃烘干，得到的黑色粉末氮掺杂多孔碳材料，记为n-pc。

9、3.na3v2(po4)2f3/n-pc复合材料的制备

10、采用喷雾干燥结合高温烧结法制备na3v2(po4)2f3/c复合材料。称取2.3398 g的偏钒酸铵（nh4vo3）、2.3004 g的磷酸二氢铵（nh4h2po4）、1.2597 g的氟化钠（naf）和柠檬酸作为还原剂最后再加入n-pc，将上述所称取的所有试剂分别加入到圆底烧瓶中并加入30 ml的超纯水作为溶剂，在油浴80℃的条件下搅拌6-8 h使其完全溶解到溶剂中去，将混合好的溶液通过200℃的喷雾干燥机后，收集到na3v2(po4)2f3/n-pc前驱体粉末。随后na3v2(po4)2f3/n-pc前驱体粉末转移到氧化铝材质的坩埚中，在充满ar气保护下的管式炉中高温烧结，首先升温至300℃预热3 h后（升温速率为5℃/min），再将其程序升温至650℃煅烧6 h后（升温速率为10℃/min），待装置自然冷却至室温后取出样品，即得到na3v2(po4)2f3/n-pc复合材料。

11、与现有的na3v2(po4)2f3碳改性复合材料相比，本专利技术具有以下优势：（1）借助zif-8制备的氮掺杂多孔碳材料结构优势，改性na3v2(po4)2f3，极大的提高了na3v2(po4)2f3的电化学性能。（2）na3v2(po4)2f3/n-pc复合材料具有空心球结构，而氮掺杂多孔碳材料（n-pc）紧紧的附着在na3v2(po4)2f3表面和空心球内部，这种结构一方面有利于有利于材料中钠离子脱嵌，另一方面氮掺杂多孔碳材料（n-pc）可起着增加材料导电性和支撑材料结构的作用，这有利于抑制多次充放电循环后，由于微观结构的崩塌所导致的容量大幅度衰减。

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【技术保护点】

1.一种基于ZIF-8的N掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.一种如权利要求1所述方法制备的基于ZIF-8为模板的N掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠，其特征在于，该正极材料由Na3V2(PO4)2F3和经ZIF-8而获得的氮掺杂多孔碳材料N-PC组成，该钠离子电池正极材料结构特征为Na3V2(PO4)2F3具有空心球结构，氮掺杂多孔碳材料N-PC紧紧的附着在Na3V2(PO4)2F3表面和空心球内部，比表面积为5.100 m2/g，平均孔径为14.684 nm。

【技术特征摘要】

1.一种基于zif-8的n掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.一种如权利要求1所述方法制备的基于zif-8为模板的n掺杂碳改性钠离子电池正极材料氟磷酸钒钠，其特征在于，该正极材料由na3v2(po4)2f3和...

【专利技术属性】
技术研发人员：王小燕，李伟，周烽海，刘峥，鲁明峻，
申请(专利权)人：桂林理工大学，
类型：发明
国别省市：

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