本发明专利技术涉及一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料及其制备方法与应用，属于电极材料技术领域。为进一步优化以生物质为原料制备的碳球材料的形貌，同时提高其储能性能，本发明专利技术提供了一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，包括一锅法制备铁掺杂玉米芯基碳微球，将铁掺杂玉米芯基碳微球、金属碳酸盐或金属碳酸氢盐和硫脲共磨混匀后高温处理，制备铁氮硫共掺多孔碳球。本发明专利技术以玉米芯为碳源，从微观结构入手，构筑、合成形貌均匀的具有杂原子掺杂的生物质基碳球材料，并将其用于锂电池负极材料，在提高锂离子电池电化学性能的同时实现了废弃物玉米芯的高值化利用。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电极材料，尤其涉及一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料及其制备方法与应用。
技术介绍
1、锂离子电池(libs)由于具有优异于其他二次电池的高能量密度和功率密度、无记忆效应、循环寿命长和环境友好等优点已基本占领了便携式消费类电子产品的市场，并在电动汽车、大规模储能设备等领域具有广阔的应用前景。碳基材料由于具有高比表面积、多层次多孔骨架、良好的结构稳定性、循环稳定性及倍率性能等特点，一直是高性能电极材料的研究热点。迄今为止，多种碳材料，如石墨烯、炭气凝胶、碳纳米管和多孔炭等已成功应用于锂离子电池负极材料。
2、电极材料的微观结构对材料的储能性能产生影响，在众多的纳米结构中，球形结构不仅可以提高电极材料的堆积密度，使电解液离子可以从各个方向进入材料内部，而且对提高倍率性能更为有力。但目前用于制备多孔碳球的原料大多以糖类为主，实际应用价值有限。生物质作为自然界储量最丰富的资源，是制备生物质基碳材料的理想原料。但原始生物质成分复杂，简单的水热炭化技术无法制备形貌均匀的碳球。传统的“热解+活化”方法制备的碳材料结构较为单一，限制了生物质基碳球在电极材料领域的应用。另外，目前报道的碳球活化策略大多基于氢氧化钾、氯化锌等活化法，这些活化剂具有强腐蚀性或剧毒性，因此有必要开发绿色活化剂用于制备生物质多孔碳材料。
技术实现思路
1、为进一步优化以生物质为原料制备的碳球材料的形貌，同时提高其储能性能，本专利技术提供了一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料及其制备方法与应用。
>2、本专利技术的技术方案：3、一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，包括如下步骤：
4、步骤一、一锅法制备铁掺杂玉米芯基碳微球：
5、取玉米芯烘干至恒重，粉碎过筛，将所得玉米芯粉、铁盐和去离子水混合超声处理，将所得混合体系置于反应釜中加热处理，冷却至室温后将反应釜中固液混合物过滤收集固体产物，洗涤烘干得到铁掺杂玉米芯基碳微球；
6、步骤二、绿色活化改性技术制备铁氮硫共掺多孔碳球：
7、将步骤一所得铁掺杂玉米芯基碳微球、金属碳酸盐或金属碳酸氢盐和硫脲共磨混匀，将所得共磨混合物置于管式炉中，惰性气体气氛下700～1000℃加热1～3h，所得固体混合物洗涤烘干至恒重，得到铁氮硫共掺多孔碳球，即为杂原子掺杂生物质碳基电极材料。
8、进一步的，步骤一所述玉米芯烘干的温度为60～80℃，所述粉碎过筛为过100～200目筛。
9、进一步的，步骤一所述玉米芯粉、铁盐和去离子水的质量体积比为3～8g:1～3g:40～70ml，所述铁盐为三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸铁或硝酸亚铁中的一种，所述超声处理为功率10～50kw下超声处理5～30min。
10、进一步的，步骤一所述反应釜的加热处理为160～220℃，加热时间为12～24h。
11、进一步的，步骤一所述洗涤烘干为使用乙醇、甲醇、乙醚或丙酮和去离子水洗涤若干次，直至滤液无色，80～110℃下烘干过夜。
12、进一步的，步骤二所述铁掺杂玉米芯基碳微球、金属碳酸盐或金属碳酸氢盐和硫脲的质量比为1:5～10:0.1～0.5，所述金属碳酸盐或金属碳酸氢盐为碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸氢钙或碳酸氢钠，所述共磨时间为20～60cm。
13、进一步的，步骤二所述管式炉的加热速度为5～10℃/min，所述惰性气体气氛为流量为100～200ml/min的氩气气体。
14、进一步的，步骤二所述洗涤烘干为用盐酸和去离子水洗涤若干次，80～100℃下烘干至恒重。
15、一种本专利技术提供的杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法所制备的杂原子掺杂生物质碳基电极材料，所述电极材料为球状结构，平均直径为1μm。
16、一种本专利技术制备的杂原子掺杂生物质碳基电极材料在锂离子电池制备中的应用。
17、本专利技术的有益效果：
18、本专利技术以玉米芯为碳源，从微观结构入手，构筑、合成形貌均匀的具有杂原子掺杂的生物质基碳球材料，利用fe3+作为催化剂和掺杂剂引入水热炭化过程，加速木质纤维素水解，使其更容易转化为有机小分子，有利于制备形貌、粒径均匀的碳微球材料。本专利技术碳球活化使用的活化剂绿色环保、安全无毒，在活化的同时结合多原子掺杂改性，有效提升碳材料的储能性能。将本专利技术制备的杂原子掺杂生物质碳基电极材料用于锂电池负极材料，在提高锂离子电池电化学性能的同时实现了废弃物玉米芯的高值化利用。
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【技术保护点】
1.一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述玉米芯烘干的温度为60～80℃，所述粉碎过筛为过100～200目筛。
3.根据权利要求1或2所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述玉米芯粉、铁盐和去离子水的质量体积比为3～8g:1～3g:40～70mL，所述铁盐为三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸铁或硝酸亚铁中的一种，所述超声处理为功率10～50KW下超声处理5～30min。
4.根据权利要求3所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述反应釜的加热处理为160～220℃，加热时间为12～24h。
5.根据权利要求4所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述洗涤烘干为使用乙醇、甲醇、乙醚或丙酮和去离子水洗涤若干次，直至滤液无色，80～110℃下烘干过夜。
6.根据权利要求5所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述铁掺杂玉米芯基碳微球、金属碳酸盐或金属碳酸氢盐和硫脲的质量比为1:5～10:0.1～0.5，所述金属碳酸盐或金属碳酸氢盐为碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸钙、碳酸氢钙或碳酸氢钠，所述共磨时间为20～60cm。
7.根据权利要求6所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述管式炉的加热速度为5～10℃/min，所述惰性气体气氛为流量为100～200mL/min的氩气气体。
8.根据权利要求7所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤二所述洗涤烘干为用盐酸和去离子水洗涤若干次，80～100℃下烘干至恒重。
9.一种如权利要求1-8任一所述的杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法所制备的杂原子掺杂生物质碳基电极材料，其特征在于，所述电极材料为球状结构，平均直径为1μm。
10.一种如权利要求9所述的杂原子掺杂生物质碳基电极材料在锂离子电池制备中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述玉米芯烘干的温度为60～80℃，所述粉碎过筛为过100～200目筛。
3.根据权利要求1或2所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述玉米芯粉、铁盐和去离子水的质量体积比为3～8g:1～3g:40～70ml，所述铁盐为三氯化铁、硫酸铁、硫酸亚铁、氯化亚铁、硝酸铁或硝酸亚铁中的一种，所述超声处理为功率10～50kw下超声处理5～30min。
4.根据权利要求3所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述反应釜的加热处理为160～220℃，加热时间为12～24h。
5.根据权利要求4所述杂原子掺杂生物质碳基电极材料的制备方法，其特征在于，步骤一所述洗涤烘干为使用乙醇、甲醇、乙醚或丙酮和去离子水洗涤若干次，直至滤液无色，80～110℃下烘干过夜。
6.根...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，陆佳，徐诚蛟，孟威，石洪影，王玉鹏，姜瑞婷，李微，
申请(专利权)人：黑龙江博能绿色能源科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：
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