CN108149343B - 氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及制备 - Google Patents

氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及制备 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及制备。所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其特征在于,其制备方法包括:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维;通过原位聚合包覆聚吡咯;再通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。本发明制备的复合材料具有形貌可控的特点,聚吡咯衍生的氮掺杂多孔碳材料均匀地包覆硅纳米颗粒上,避免了硅团聚的问题,减少了硅体积变化带来的影响,具有比表面积高、孔隙率高、导电性好、物理化学性质稳定等优点。

Description

氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及制备
技术领域
本发明属于无机非金属化合物-碳材料技术领域,具体涉及一种氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及其制备方法。
背景技术
在所有的硅基复合材料中,硅碳复合材料因其成本低廉、导电性好、密度小、延展性好、适应体积的变化、容易形成稳定的SEI膜等优势,因此碳材料被认为是与硅复合的最佳材料。但是,其较大的比表面积也会导致纳米硅碳复合材料发生更多的不可逆反应。权衡这些因素,我们通常在纳米结构中,将硅纳米颗粒锚定在碳的基体中,并且为硅纳米颗粒预留足够的空间。通过这个方法,使得硅碳复合材料充分发挥各自的优势。
聚吡咯(PPy)由于具有容易聚合、低成本、环境热稳定性好、高导电性和高电荷存储能力而被广泛研究。在碳层中掺杂氮(N)等杂原子能够改性碳层表面的官能团,增加材料的导电率、存储容量。聚吡咯作为一种含N导电聚合物,高温碳化后仍能维持N元素的掺杂效果,是硅碳材料中良好的活性包覆材料。
静电纺丝技术具有制备装置简单、纺丝成本低廉、可纺物质种类繁多、工艺可控等优点,已成为有效制备纳米纤维材料的主要途径之一。通过静电纺丝技术制备得到的功能性纳米纤维具有高比表面积、高孔隙率等优点,在工业生产、生物医疗、能源催化等领域有重大发展前景。本发明基于静电纺丝技术,在纺丝基体材料中加入聚乙烯吡咯烷酮,在纺丝过程中由于聚乙烯吡咯烷酮分子链中的极性基团可以起到分散硅纳米颗粒的作用;在收集过程中,部分聚乙烯吡咯烷酮溶解,起到初步构筑多孔结构纳米纤维的作用。在本发明的最后一步制作工艺过程中,通过高温碳化,将聚甲基丙烯酸甲酯在高温下完全分解,可以在纤维内部保留氮掺杂碳纳米修饰层,作为隔层材料预留膨胀所需的体积和在碳层表面形成SEI膜,增强材料的循环稳定性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种成本低廉、工艺简单、电化学性能优异的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维及其制备方法。
为了达到上述目的,本发明提供了一种氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其特征在于,其制备方法包括:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维;通过原位聚合包覆聚吡咯;再通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
优选地,所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维包含氮掺杂多孔碳纳米纤维为骨架,硅纳米颗粒分散在骨架中,硅纳米颗粒上包覆氮掺杂多孔碳材料。
更优选地,所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的直径为0.8-1微米。
更优选地,所述的硅纳米颗粒的粒度为30纳米,硅纳米颗粒上包覆的氮掺杂多孔碳材料的厚度为45-55纳米。
本发明还提供了上述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,包括:
步骤1:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维:将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯与N,N-二甲基甲酰胺混合,得到混合纺丝液;进行静电纺丝,以水接收纺出的纳米纤维,得到悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜;
步骤2:通过原位聚合包覆聚吡咯:将悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜调节为酸性环境,将水温降至2±1摄氏度,加入吡咯单体和三氯化铁溶液,将所得混合物静置进行反应,抽滤,干燥,得到复合纳米纤维;
步骤3:通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维:将复合纳米纤维放在瓷方舟中,并在氮气或惰性气体保护下进行高温碳化处理,降至室温后即可得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
优选地,所述的步骤1中,硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1-5:4∶15-20∶150-200,更优选3∶4∶16∶180的比例。
优选地,所述的步骤1中,将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯与N,N-二甲基甲酰胺混合的步骤包括先将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮加入到N,N-二甲基甲酰胺中,超声分散,再加入聚甲基丙烯酸甲酯,室温搅拌,得到混合纺丝液。
优选地,所述的步骤1中的静电纺丝包括:取7-10毫升混合纺丝液倒入10毫升的注射器中,以控制纺出纤维的量;纺丝参数设置为0.07-0.09毫米每分钟的推进速度,针头与接收用的水之间的电压为14-16千伏。
优选地,所述的步骤2中的酸性环境通过浓盐酸调节,盐酸在所得混合物中的浓度为0.8-1.2摩尔每升。
优选地,所述步骤2中的吡咯在所得的混合物中的浓度为0.015-0.02摩尔每升。
优选地,所述步骤2中的三氯化铁在所得的混合物中的浓度为0.008-0.012摩尔每升。
优选地,所述的步骤2中的反应时间为10-14小时,优选12小时。
优选地,所述的步骤3中的高温碳化处理的升温速率为5摄氏度每分钟,处理温度范围为700-900摄氏度,优选850摄氏度,处理时间为1-3小时,优选2小时,整个碳化过程都在氮气或惰性气体氛围中进行。
本发明还提供了上述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维在作为超级电容器、锂离子电池等新能源器件的理想电极材料中的应用。
本发明制备的复合材料具有形貌可控的特点,聚吡咯衍生的氮掺杂碳层均匀地包覆在硅纳米颗粒表面,避免了硅团聚的问题,减少了硅体积变化带来的影响,具有比表面积高、孔隙率高、导电性好、物理化学性质稳定等优点,在锂离子电池等能源领域具有重大的应用前景。
本发明将静电纺丝中常规的铝箔收集装置改为直接用水来接收,可以使部分聚乙烯吡咯烷酮溶解在水中形成多孔洞结构。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1、制备过程简单易行且十分环保,是一种快捷有效的制备方法。
2、本发明采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维,并以水为接收装置,使部分聚乙烯吡咯烷酮溶于水中,形成孔洞。本发明通过原位聚合形成聚吡咯包覆层,掺杂氮元素;再通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
3、本发明制备的复合材料具有形貌可控的特点,聚吡咯衍生的氮掺杂多孔碳材料均匀地包覆硅纳米颗粒上,避免了硅团聚的问题,减少了硅体积变化带来的影响,具有比表面积高、孔隙率高、导电性好、物理化学性质稳定等优点。本发明所制备的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的纳米纤维复合材料是制备超级电容器、锂离子电池等新能源器件的理想电极材料。
附图说明
图1是本发明中材料的TEM图。其中,(a)和(b)是不同放大倍数下的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
图2是本发明中的SEM图。其中,图(a)是氮掺杂多孔碳材料,图(b)是氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
图3是本发明中的XRD图谱。其中,曲线硅为纯硅纳米颗粒;曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-2是本发明中所制得的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维材料;曲线氮掺杂多孔碳纳米纤维复合材料是没有包覆硅纳米颗粒的对照材料。
图4是将本发明中所得的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维制成锂离子电池的负极材料,并进行相应的电池性能测试所得到的数据结果。图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-2是实施例1中所得的材料,图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-1是实施例2中所得的材料,图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-3是实施例3中所得的材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例,进一步阐述本发明。应理解,这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解,在阅读了本发明讲授的内容之后,本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改,这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其制备方法为:
步骤1:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维:
以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂,以3∶4∶16∶180的质量比例称取粒径为30纳米的硅纳米颗粒(上海水田材料科技有限公司,ST-G-001-1)、聚乙烯吡咯烷酮(sigma-aldrich,V900008-500G)、聚甲基丙烯酸甲酯(sigma-aldrich,182265-500G)与N,N-二甲基甲酰胺,先将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮加入到N,N-二甲基甲酰胺中,置于超声清洗机中在超声分散30分钟,再加入聚甲基丙烯酸甲酯,置于搅拌台上以700转/分钟的转速室温搅拌12小时,得到混合纺丝液;取9毫升混合纺丝液倒入10毫升的注射器中,以控制纺出纤维的量;纺丝参数设置为0.08毫米每分钟的推进速度,针头与接收用的水之间的电压为15千伏,进行静电纺丝,以水接收纺出的纳米纤维,得到悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜;
步骤2:通过原位聚合包覆聚吡咯:将悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜倒入大烧杯中,加入98克浓度为36%-38%的浓盐酸,调节反应混合物为酸性环境(pH=2),将烧杯放入冷却水循环机中,使水温降至2±1摄氏度,加入0.682克吡咯(py)单体,取三氯化铁2.7克溶于少量去离子水中,缓慢加入装有纳米纤维膜的大烧杯中,向烧杯中加入去离子水,调节烧杯中混合物的总体积为1升,将烧杯置于冷却水循环机中,用聚乙烯膜将杯口封住,静置反应12小时,将反应混合物置于真空抽滤机上进行抽滤,将抽滤产物在冷冻干燥机中冷冻干燥24小时,得到复合纳米纤维;
步骤3:通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维:将复合纳米纤维放在瓷方舟中,并在高纯氩气保护下进行高温碳化处理,升温速率为5摄氏度/分钟,处理温度为850摄氏度,处理时间为2小时,处理结束后待其冷却至室温即可得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,并标记为氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维-2。
使用透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)来表征本发明所获得的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的纳米纤维复合材料的结构形貌,其结果如下:
(1)TEM测试结果表明:纤维粗细均匀,直径在500纳米左右,纤维内部并不是贯穿性的空腔,而是由小体积的孔隙(纤维上的亮处)组成的具有高孔隙率的一维纳米材料。从图中,可以清晰地看到球状的硅纳米颗粒,其直径恰好约为30纳米,而且可以观察到晶格间距为0.31纳米,对应于硅的(111)晶面间距。最终,通过TEM照片证明,得到的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的纳米纤维复合材料是由氮掺杂多孔碳纳米纤维为骨架、硅纳米颗粒均匀分散在骨架中的纳米复合材料组成的。参见附图1。
(2)SEM测试结果表明:如图2所示,经过高温碳化后复合纤维的有所皱缩,变成直径不均匀的纤维。由聚吡咯形成的碳包覆层厚度约50纳米,图中的球形小颗粒即为硅纳米颗粒,其均匀的分布在纤维的内部和表面。由图中的截面可以看出,看出纤维呈中空多孔结构,管壁较薄,这不仅有利于电子的传输,还可以起到稳定纤维结构的作用,使其在吸附和脱吸过程中更好的发挥作用。
(3)XRD测试结果表明:如图3所示,硅的图谱在28.5度、47.4度、56.2度、69.3度和76.6度处出现明显的5个特征峰,分别对应(111)、(220)、(311)、(400)和(331)衍射晶面,表明使用的单质硅未被空气氧化。15-30度出现的较宽的峰,则是聚吡咯的无定型特征峰。而对于氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的纳米纤维复合材料,硅的特征峰可以清晰的被观察到,属于聚吡咯的无定型特征峰也存在,表明由本发明所提供的制备方法是切实可行的。
所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的直径为0.85纳米,所述的硅纳米颗粒的粒度为30纳米,硅纳米颗粒上包覆的氮掺杂多孔碳材料的厚度为50纳米,比表面积为118.945平方米/克。
实施例2
类似于实施例1的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,区别在于:将实施例1中的纳米硅球、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基甲酰胺的比例改为按1∶4∶16∶180的比例称取,所得产物标记为氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维-1。
实施例3
类似于实施例1的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,区别在于:将实施例1中的纳米硅球、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基甲酰胺的比例改为按5∶4∶16∶180的比例称取,所得产物记为氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维-3。
将本发明中所得的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维作为锂离子电池的负极材料,并进行相应的电池性能测试,结果如图4所示。图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-2是实施例1中所得的材料,图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-1是实施例2中所得的材料,图中曲线氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒复合纳米纤维-3是实施例3中所得的材料。

Claims (10)

1.一种氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其特征在于,其制备方法包括:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维,所述的静电纺丝以水为接收装置,使部分聚乙烯吡咯烷酮溶于水中,形成孔洞;通过原位聚合包覆聚吡咯;再通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
2.如权利要求1所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其特征在于,包含氮掺杂多孔碳纳米纤维为骨架,硅纳米颗粒分散在骨架中,硅纳米颗粒上包覆氮掺杂多孔碳材料。
3.如权利要求2所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维,其特征在于,所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的直径为0.8-1微米,所述的硅纳米颗粒的粒度为30纳米,硅纳米颗粒上包覆的氮掺杂多孔碳材料的厚度为45-55纳米。
4.权利要求1-3中任一项所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,包括:
步骤1:采用静电纺丝的方法制备得到硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯复合纳米纤维:将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯与N,N-二甲基甲酰胺混合,得到混合纺丝液;进行静电纺丝,以水接收纺出的纳米纤维,得到悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜;
步骤2:通过原位聚合包覆聚吡咯:将悬浮在水中的硅纳米颗粒/聚乙烯吡咯烷酮/聚甲基丙烯酸甲酯纳米纤维膜调节为酸性环境,将水温降至2±1摄氏度,加入吡咯单体和三氯化铁溶液,将所得混合物静置进行反应,抽滤,干燥,得到复合纳米纤维;
步骤3:通过碳化过程得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维:将复合纳米纤维放在瓷方舟中,并在氮气或惰性气体保护下进行高温碳化处理,降至室温后即可得到氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维。
5.如权利要求4所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,所述的步骤1中,硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯和N,N-二甲基甲酰胺的质量比为1-5:4:15-20:150-200;所述的步骤1中,将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮、聚甲基丙烯酸甲酯与N,N-二甲基甲酰胺混合的步骤包括先将硅纳米颗粒、聚乙烯吡咯烷酮加入到N,N-二甲基甲酰胺中,超声分散,再加入聚甲基丙烯酸甲酯,室温搅拌,得到混合纺丝液。
6.如权利要求4所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,所述的步骤1中的静电纺丝包括:取7-10毫升混合纺丝液倒入10毫升的注射器中,以控制纺出纤维的量;纺丝参数设置为0.07-0.09毫米每分钟的推进速度,针头与接收用的水之间的电压为14-16千伏。
7.如权利要求4所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,所述的步骤2中的酸性环境通过浓盐酸调节,盐酸在所得混合物中的浓度为0.8-1.2摩尔每升;所述步骤2中的吡咯在所得的混合物中的浓度为0.015-0.02摩尔每升;所述步骤2中的三氯化铁在所得的混合物中的浓度为0.008-0.012摩尔每升。
8.如权利要求4所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,所述的步骤2中的反应时间为10-14小时。
9.如权利要求4所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维的制备方法,其特征在于,所述的步骤3中的高温碳化处理的升温速率为5℃每分钟,处理温度范围为700-900摄氏度,处理时间为1-3小时,整个碳化过程都在氮气或惰性气体氛围中进行。
10.权利要求1-3中任一项所述的氮掺杂多孔碳包覆硅纳米颗粒的复合纳米纤维在作为超级电容器或锂离子电池的电极材料中的应用。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109473628B (zh) * 2018-11-14 2021-08-10 东华大学 一种硅-氮化碳复合负极材料及其制备和应用
CN109704307B (zh) * 2019-01-30 2020-11-03 河南工程学院 一种基于胖大海渣的硫掺杂多孔碳的制备及其应用
CN110518205A (zh) * 2019-08-16 2019-11-29 南京理工大学 一种双核壳硅基锂离子电池负极材料及其制备方法
CN112382759A (zh) * 2020-10-17 2021-02-19 东莞东阳光科研发有限公司 一种氮掺杂多孔碳包覆硅复合纳米纤维的制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103643339A (zh) * 2013-12-04 2014-03-19 武汉纺织大学 一种原位聚合聚吡咯纳米纤维的制备方法
CN105047870A (zh) * 2015-06-17 2015-11-11 南京航空航天大学 一种掺氮碳包覆硅复合材料及其制备方法
CN105316798A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维的制备方法
CN105316797A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化钛纳米纤维的制备
CN105958036A (zh) * 2016-07-07 2016-09-21 天津普兰能源科技有限公司 一种锂离子电池的碳包覆硅负极材料的制备方法
CN106450181A (zh) * 2016-09-26 2017-02-22 东华大学 一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用
CN106571451A (zh) * 2016-10-26 2017-04-19 浙江天能能源科技股份有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法
CN107317011A (zh) * 2017-06-28 2017-11-03 合肥工业大学 一种氮掺杂的有序多孔碳包覆硅纳米复合材料的制备方法

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103643339A (zh) * 2013-12-04 2014-03-19 武汉纺织大学 一种原位聚合聚吡咯纳米纤维的制备方法
CN105316798A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 氮掺杂介孔碳修饰的二氧化锰纤维的制备方法
CN105316797A (zh) * 2014-08-05 2016-02-10 无锡华臻新能源科技有限公司 具有氮掺杂介孔碳修饰的二氧化钛纳米纤维的制备
CN105047870A (zh) * 2015-06-17 2015-11-11 南京航空航天大学 一种掺氮碳包覆硅复合材料及其制备方法
CN105958036A (zh) * 2016-07-07 2016-09-21 天津普兰能源科技有限公司 一种锂离子电池的碳包覆硅负极材料的制备方法
CN106450181A (zh) * 2016-09-26 2017-02-22 东华大学 一种二硫化钼/氮掺杂碳纳米纤维复合材料及其制备方法和应用
CN106571451A (zh) * 2016-10-26 2017-04-19 浙江天能能源科技股份有限公司 一种锂离子电池负极材料及其制备方法
CN107317011A (zh) * 2017-06-28 2017-11-03 合肥工业大学 一种氮掺杂的有序多孔碳包覆硅纳米复合材料的制备方法

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