CN106981631A - 一种氮掺杂碳微纳米材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂碳微纳米材料及其制备方法和应用，利用商业化三聚氰胺纳米海绵为原料，一步热解法制备出氮掺杂碳微纳米材料。该方法原料廉价，操作简单，可重复性强，对环境无污染，适合工业化生产。相对于现有的其它氮掺杂碳材料，采用本发明制备的氮掺杂碳微纳米材料，具有较大的比表面积，特殊的纳米孔隙结构，良好的电化学活性和循环性能，非常适合作为锂离子电池及钠离子电池的负极材料。

Description

一种氮掺杂碳微纳米材料及其制备方法和应用
【技术领域】
本发明属于能源材料和碳材料的交叉领域，涉及一种氮掺杂碳微纳米材料及其制备方法和应用。
【背景技术】
随着电子设备对人们的吸引力越来越大，目前的商业化锂电池已经难以满足人们对高容量锂离子电池负极材料的需求(商业化石墨理论比容量仅为372mAh·g-1)。与商业化石墨石墨相比，无定形碳的较大的层间距和各向同性的结构特征，使得离子可以自由的在无定型碳层间自由传输。此外，石墨颗粒表层的无定形碳可以引导锂离子快速进入石墨的层间，有利于改善电池的倍率性能。
无定形碳可以通过多种方法进行改性来改善其性能。常用的方法通过掺杂氮或者硼元素来改变半导体材料的电子性质。与纯碳材料相比，氮掺杂碳材料因其中含有的原子能够提供电子，表现出金属性，提高材料本身的机械性能，改善了碳材料的电子传输性能，同时也降低了电阻系数，从而使氮掺杂碳材料储能器件、场发射器件方面显示出广阔的应用前景。从另一反面，原子的掺入为碳材料表面引入活性位点，使碳材料表现出良好的亲水性，作为功能型材料，氮掺杂碳材料更显示出强大的吸附优势，在催化剂负载、药物传递方面有潜在应用。
常见的氮掺杂方式主要有，高温惰性气氛下，将糖类化合物、高聚物、含氮化合物和有机溶剂锻烧使其发生碳化反应。或者石墨烯、活性炭、生物质碳材料等碳材料在氮气或者氨气下二次高温热解。亦有研究者直接以含氮原子的碳化物做为前驱体，一步热解制的氮掺杂碳材料。相较而言，一步高温热解含氮原子的碳化物工艺简单，可操作性强，具有广阔的工业化应用前景。但一般含氮原子的碳化物价格都比较贵，针对这个问题本发明使用常用的清洁用品三聚氰胺纳米海绵作为原料，一步热解得到了氮掺杂碳微纳米材料，并且该材料在储能领域具有较好的电化学性能。
【发明内容】
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种氮掺杂碳微纳米材料及其制备方法和应用。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种氮掺杂碳微纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺纳米海绵切成立方块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、并干燥；
2)将干燥后的三聚氰胺纳米海绵置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，然后随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤氮掺杂碳微纳米材料3～5次，然后干燥过夜，研磨。
本发明进一步的改进在于：
步骤1)中，三聚氰胺纳米海绵立方块的尺寸为0.5～2cm。
步骤2)中，煅烧温度为500～900℃，煅烧时间为0.5～2小时，升温速率为2～10℃/min。
一种氮掺杂碳微纳米材料，所制备的产物尺寸为微纳米级。
氮掺杂碳微纳米材料作为锂离子电池负极材料的应用。锂离子电池负极的可逆比容量大于等于530mAh/g。锂离子电池负极材料的充放电循环次数大于等于140次。
氮掺杂碳微纳米材料作为钠离子电池负极材料的应用。钠离子电池负极材料的可逆比容量大于等于170mAh/g。钠离子电池负极材料的充放电循环次数大于等于300次。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用常用的清洁用品三聚氰胺纳米海绵，通过一步热解法制备出氮掺杂碳微纳米材料。相对于现有其它的氮掺杂碳材料，本发明使用的原料价格低廉，制备工艺简单，成本较低，可重复性强，对环境无污染。利用本方法制备的氮掺杂碳微纳米材料，具有较大的比表面积，特殊的纳米孔隙结构，良好的电化学活性和循环性能，非常适合作为锂离子电池及钠离子电池的负极材料。
【附图说明】
图1为氮掺杂碳微纳米材料扫描电镜图；
图2为氮掺杂碳微纳米材料的锂电恒电流充放电图；
图3为氮掺杂碳微纳米材料的钠电恒电流充放电图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1-3，本发明氮掺杂碳微纳米材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺纳米海绵切成尺寸为0.5～2cm立方块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、并干燥；
2)将0.1～0.5g干燥后的三聚氰胺纳米海绵置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，煅烧温度为500～900℃，煅烧时间为0.5～2小时，升温速率为2～10℃/min；然后随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤氮掺杂碳微纳米材料3～5次，然后干燥过夜，研磨。
本发明制备的氮掺杂碳微纳米材料，尺寸为微纳米级。能够作为制备锂/钠离子电池负极的材料。锂离子电池负极的可逆比容量大于等于530mAh/g，充放电循环次数大于等于140次。钠离子电池负极材料的可逆比容量大于等于170mAh/g，充放电循环次数大于等于300次。
实施例1：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成0.5cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.1g置于管式炉中，在氩气气氛下500℃煅烧0.5h，升温速率为2℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
实施例2：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成1cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.2g置于管式炉中，在氩气气氛下600℃煅烧1h，升温速率为5℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
实施例3：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成1.5cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.3g置于管式炉中，在氩气气氛下800℃煅烧0.5h，升温速率为5℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
实施例4：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成2cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.2g置于管式炉中，在氩气气氛下600℃煅烧1h，升温速率为6℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
实施例5：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成1.5cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.3g置于管式炉中，在氩气气氛下800℃煅烧1h，升温速率为5℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
实施例6：
1)将商业化三聚氰胺纳米海绵切成0.5cm的立方小块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、干燥过夜；
2)将步骤1)中干燥后的材料0.5g置于管式炉中，在氩气气氛下900℃煅烧2h，升温速率为10℃/min。随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤步骤2中的煅烧产物，干燥过夜。
图1为本发明制备的氮掺杂碳微纳米材料扫描电镜图；图2是氮掺杂碳微纳米材料在0.1A/g的电流密度下的锂电恒电流充放电图。经过140次循环，其可逆比容量先降后升稳定在534mAh/g左右，说明所制备得氮掺杂碳微纳米材料在锂离子电池应用上具有良好的循环稳定性。图3是氮掺杂碳微纳米材料的钠电恒电流充放电图。在0.1A/g的电流密度下经过300次循环，其可逆比容量仍稳定在170mAh/g左右，说明所制备的氮掺杂碳微纳米材料在钠离子电池应用上具有较好的电化学活性。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮掺杂碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将三聚氰胺纳米海绵切成立方块，用无水乙醇和蒸馏水清洗干净、并干燥；
2)将干燥后的三聚氰胺纳米海绵置于管式炉中，在氩气气氛下煅烧，然后随炉冷却至室温，得到氮掺杂碳微纳米材料；
3)用蒸馏水洗涤氮掺杂碳微纳米材料3～5次，然后干燥过夜，研磨。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，三聚氰胺纳米海绵立方块的尺寸为0.5～2cm。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳微纳米材料的制备方法，其特征在于，其特征在于，步骤2)中，煅烧温度为500～900℃，煅烧时间为0.5～2小时，升温速率为2～10℃/min。
4.一种采用权利要求1-3任意一项所述方法制备的氮掺杂碳微纳米材料，其特征在于，所制备的产物尺寸为微纳米级。
5.氮掺杂碳微纳米材料作为锂离子电池负极材料的应用。
6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，锂离子电池负极的可逆比容量大于等于530mAh/g。
7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于，锂离子电池负极材料的充放电循环次数大于等于140次。
8.氮掺杂碳微纳米材料作为钠离子电池负极材料的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，钠离子电池负极材料的可逆比容量大于等于170mAh/g。
10.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，钠离子电池负极材料的充放电循环次数大于等于300次。
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