CN109301252B - 一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法，属于无机功能材料的合成技术领域。本发明的技术方案要点为：将螯合剂溶于去离子水中，再加入多孔碳材料并超声混合均匀，然后于40‑80摄氏度搅拌反应6‑12小时，继续升温至110摄氏度搅拌蒸干水分，最终制得螯合剂表面修饰多孔碳材料。本发明制备的复合材料在保持碳材料自身结构优势的同时具有较强的表面化学吸附络合能力，将其应用于锂硫电池，这种表面修饰的设计有利于抑制穿梭效应，使电化学性能得到大幅提升。

Description

一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法
技术领域
本发明属于无机功能材料的合成技术领域，具体涉及一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法。
背景技术
随着电动汽车和便携式电子设备的发展，目前的便携式储能系统已不能满足人们日益增长的需求，寻找具有更高能量密度的电池系统迫在眉睫。锂硫电池由于其高能量密度（理论高达2600Wh/kg）、高理论容量（1675mAh/g）、低成本及环境友好等优点而广受关注。然而，锂硫电池发展过程中的一些挑战不可避免，包括硫较低的离子和电子导电性，较差的循环性以及生成的多硫化物易溶于有机溶剂等缺点，制约了锂硫电池的进一步发展。
由于具有大量的孔隙结构和巨大的比表面积，多孔碳材料具有吸附能力强、物理化学性能稳定性好及失效后再生方便等特点，被广泛应用于锂电池、超级电容器、气体吸附与分离、水体净化等领域。由于上述优点，碳材料在新型锂硫电池的开发过程中处于重要地位。通过碳材料的引入，可以获得导电复合正极材料，抑制多硫化物的穿梭，从而有望实现正极硫材料的高效利用。目前碳材料主要靠孔结构来实现对多硫化物的物理吸附。公开号为CN107140633A的专利公开了一种生物质衍生的超高比表面积活性炭的制备方法及其应用，通过多孔碳对多硫化物的有效吸附来抑制穿梭效应，提高电化学性能。然而这种物理吸附作用较弱，只能有限的控制多硫化物的穿梭。为了提高碳材料对多硫化物的吸附能力，对其表面进行修饰，使其表面与多硫化物产生化学作用，从而实现更加显著、稳定的吸附效果。公开号为CN103072974A的专利公开了一种人造石墨碳负极材料表面包覆的方法，采用酚醛树脂对石墨进行原位包覆并碳化，在石墨表面包覆了一层均匀的无定型碳。公开号为CN104810528A的专利公开了一种锰酸锂对碳材料的表面修饰方法及其在微生物燃料电池中的应用，以碳材料为基体，利用具有良好导电性能的纳米锰酸锂对碳基材料进行表面修饰。但此类方法过程繁琐，操作成本高，不适宜工业化生产。因此，对碳材料的表面进行适当的修饰，结合孔结构对多硫化物的物理吸附和表面修饰对多硫化物的化学吸附，是有效抑制穿梭效应，提高电池电化学性能的重要途径。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供了一种成本低廉且工艺简单的螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将螯合剂溶于去离子水中，再加入多孔碳材料并超声混合均匀，然后于40-80摄氏度搅拌反应6-12小时，继续升温至110摄氏度搅拌蒸干水分，最终制得螯合剂表面修饰多孔碳材料，其中螯合剂为乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸三钠或酒石酸钠中的一种或多种，多孔碳材料为生物质多孔碳、活性碳、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种。
优选的，所述螯合剂与多孔碳材料的质量比为0.05~3:100。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过螯合剂对多孔碳材料进行表面修饰，增强了其对多硫化物的吸附能力，有效地抑制了穿梭效应，进而提高了锂硫电池的比容量、循环寿命和稳定性。
附图说明
图1是实施例4制得的表面修饰乙二胺四乙酸二钠碳材料和未经修饰的多孔炭分别以质量比1:3与硫复合制备出C/S复合电极在电流密度为0.2C（1C=1675mAh g-1）时的循环性能对比，可见基于螯合剂修饰多孔碳材料的电池表现出更高的容量和循环稳定性。
图2是实施例4制得螯合剂表面修饰多孔碳材料的SEM图，放大倍数为2000倍，可见表面修饰后的碳材料没有改变碳材料原有的微观结构。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明上述内容实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
将0.0005g酒石酸钠解于适量去离子水中，然后将1g活性炭加入到溶液中并超声5分钟，随后于40摄氏度搅拌反应12小时，然后升温至110摄氏度搅拌至水分蒸干，最终得到螯合剂表面修饰多孔碳材料。
实施例2
将0.0005g乙二胺四乙酸二钠溶解于适量去离子水中，然后将1g碳纳米管加入到溶液中并超声10分钟，随后于60摄氏度搅拌反应8小时，然后升温至110摄氏度搅拌至水分蒸干，最终得到螯合剂表面修饰多孔碳材料。
实施例3
将0.002g乙二胺四乙酸二钠溶解于适量去离子水中，然后将1g生物质多孔碳材料加入到溶液中并超声10分钟，随后于60摄氏度搅拌反应12小时，然后升温至110摄氏度搅拌至水分蒸干，最终得到螯合剂表面修饰多孔碳材料。
实施例4
将0.002g乙二胺四乙酸二钠溶解于适量去离子水中，然后将1g生物质多孔碳加入到溶液中并超声20分钟，随后于60摄氏度搅拌反应12小时，然后升温至110摄氏度搅拌至水分蒸干，最终得到螯合剂表面修饰多孔碳材料。
实施例5
将0.03g柠檬酸三钠溶解于适量去离子水中，然后将1g石墨烯加入到溶液中并超声10分钟，随后于80摄氏度搅拌反应6小时，然后升温至110摄氏度搅拌至水分蒸干，最终得到螯合剂表面修饰多孔碳材料。
以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。

Claims (1)

1.一种螯合剂表面修饰多孔碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：将螯合剂溶于去离子水中，再加入多孔碳材料并超声混合均匀，然后于40-80℃搅拌反应6-12小时，继续升温至110℃搅拌蒸干水分，最终制得螯合剂表面修饰多孔碳材料，其中螯合剂为乙二胺四乙酸二钠、柠檬酸三钠或酒石酸钠中的一种或多种，多孔碳材料为生物质多孔碳、活性碳、碳纳米管或石墨烯中的一种或多种，所述螯合剂与多孔碳材料的质量比为0.05-3:100。
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