CN105720272B - 一种空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料制备方法 - Google Patents

一种空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种二次电池中空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料的制备方法。将2.8ml苯胺溶液加入到50ml一定质量分数的植酸水溶液中，加热搅拌生成苯胺‑植酸的盐溶液，然后冷却到一定温度。称取1.716g的过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到一定温度。将两种溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中一段时间，将合成的水凝胶浸洗，然后经72h冻干生成气凝胶。将气凝胶在一定温度、Ar气保护下碳化，即制得多孔碳纳米纤维材料。

Description

一种空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料制备方法
技术领域
本发明属于储能电池领域，具体涉及一种二次电池中空气电极用碳纤维材料，其碳材料掺杂氮和磷，具有多孔结构，应用于二次空气电池正极，具有较高的能量密度和功率密度。
背景技术
当前全球的能源供给日趋匮乏，人们正在探索新的能源。燃料电池作为高效、洁净、利用能源的新技术，已成为当今世界能源领域的开发热点。二次空气电池是一类特殊的燃料电池, 也是新一代绿色二次电池的代表之一，具有成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高等优点，既有丰富的资源，还能再生利用，而且结构简单，是很有发展和应用前景的新能源。
如何制备出高性能、长寿命、低成本的空气电极，是金属空气电池能否得到广泛应用的关键。将碳纸、碳布、碳纳米纤维以及碳纳米管作为电极材料，贵金属作为催化剂应用于电极能很好地提高空气电极的性能，但是其高昂的价格限制了其应用。
很多研究表明，氮和磷掺杂使碳表面形成了缺陷和功能团，改变了碳材料的物理化学特性，使碳材料的电化学性能也得到了提升。
发明内容
本发明提供一种二次电池中空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料的制备方法。
本发明的技术方案是：
（1）将2.8ml苯胺溶液加入到50ml一定质量分数的植酸水溶液中加热搅拌生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到一定温度；
（2）称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到一定温度；
（3）将步骤（1）和（2）制备所得溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中一段时间，制得聚苯胺水凝胶。
（4）将步骤（3）制得聚苯胺水凝胶浸入水中洗涤，然后经72h冻干生成聚苯胺气凝胶。
（5）将步骤（4）制得聚苯胺气凝胶在一定温度Ar气保护下碳化，即制得多孔碳纳米纤维材料。
根据本发明的技术方案，所述步骤（1）中植酸的质量分数是5% ~10%。
根据本发明的技术方案，所述步骤（1）中加热温度是80~100℃。
根据本发明的技术方案，所述步骤（1）中搅拌时间是5~20min。
根据本发明的技术方案，所述步骤（1）中溶液冷却的温度是0~10℃。
根据本发明的技术方案，所述步骤（2）中溶液冷却的温度是0~10℃。
根据本发明的技术方案，所述步骤（3）中溶液冰水浴的时间是2~10h。
根据本发明的技术方案，所述步骤（4）中聚苯胺水凝胶浸入水中洗涤时间是12~36h。
根据本发明的技术方案，所述步骤（5）中聚苯胺气凝胶碳化温度是800~1100℃。
根据本发明的技术方案，所述步骤（5）中聚苯胺气凝胶碳化时间是1~4h。
附图说明
图1是本发明实施例4 制备的氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料的SEM 图。
图2是采用实施例4制备的碳材料组装的锂空气电池在纯氧环境中在100mA/g电流密度下的首次充放电测试图。
本发明制备工艺简单，所制备的氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料具有较高的比表面积，应用于二次空气电池正极，具有高的能量密度和功率密度。
具体实施方式
实施例1
将2.8ml苯胺溶液加入到50ml质量分数为7.7%植酸水溶液中，在90℃下加热搅拌10min生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到4℃。称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到6℃。将两种溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中2h，将合成的水凝胶浸洗36h，然后经72h冻干生成气凝胶。将气凝胶在1000℃、Ar气保护下碳化3h，即制得多孔碳纳米纤维材料。
实施例2
将2.8ml苯胺溶液加入到50ml质量分数为7.7%植酸水溶液中，在90℃下加热搅拌10min生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到8℃。称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到8℃。将两种溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中8h，将合成的水凝胶浸洗24h，然后经72h冻干生成气凝胶。将气凝胶在1100℃、Ar气保护下碳化1h，即制得多孔碳纳米纤维材料。
实施例3
将2.8ml苯胺溶液加入到50ml质量分数为7.7%植酸水溶液中，在90℃下加热搅拌10min生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到2℃。称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到4℃。将两种溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中10h，将合成的水凝胶浸洗18h，然后经72h冻干生成气凝胶。将气凝胶在800℃、Ar气保护下碳化2h，即制得多孔碳纳米纤维材料。
实施例4
将2.8ml苯胺溶液加入到50ml质量分数为5.5%植酸水溶液中，在90℃下加热搅拌10min生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到4℃。称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到4℃。将两种溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中6h，将合成的水凝胶浸洗12h，然后经72h冻干生成气凝胶。将气凝胶在1000℃、Ar气保护下碳化4h，即制得多孔碳纳米纤维材料。

Claims (1)

1.一种二次电池中空气电极用氮磷双掺杂多孔碳纳米纤维材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
(1)将2.8ml苯胺溶液加入到50ml质量分数为5％～10％的植酸水溶液中加热至80～100℃，搅拌5～20min生成苯胺-植酸的盐溶液，然后冷却到0～10℃；
(2)称取1.716g过硫酸铵溶解在6ml去离子水中，并冷却到0～10℃；
(3)将步骤(1)和(2)制备所得溶液迅速混合，混合后的溶液静置于冰水浴中2～10h，制得聚苯胺水凝胶；
(4)将步骤(3)制得聚苯胺水凝胶浸入水中洗涤12～36h，然后经72h冻干生成聚苯胺气凝胶；
(5)将步骤(4)制得聚苯胺气凝胶在800～100℃，Ar气保护下碳化1～4h，即制得多孔碳纳米纤维材料。
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