CN110783545A - 一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用 - Google Patents

一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

一种氮‑磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用，属于电池正极材料的技术领域。本发明要解决现有制备杂原子掺杂的分等级多孔碳材料方法存在工艺复杂、不易控制的技术问题。本发明方法在具有三维连通骨架的聚苯胺‑植酸气凝胶中引入氯化物无机盐，热解后进行酸洗和水洗，除去材料中的可溶物质，改变碳材料的孔结构，同时提高其导电性，以保证硫/碳复合材料在电池循环过程中稳定性。本发明制备方法所涉及操作过程简单易行，适于大量生产，成本较低，材料制备方法重复性高。本发明适用于锂硫电池硫正极载体材料。

Description

一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用
技术领域
本发明属于电池正极材料的技术领域；涉及一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用，具体采用氯化物无机盐辅助炭化制成。
背景技术
随着能源和环境问题的日益突出以及电子电动设备的迅猛发展，传统锂离子电池已经越来越难以满足人们对于高能量密度电池的需求。锂硫电池因其能量密度高、成本低以及无污染等优点，被认为是极有潜力的下一代高能量密度储能体系。然而，锂硫电池中正极材料电子、离子电导率低，充放电过程中电极体积变化大，多硫化锂等中间产物的溶解和伴随的“穿梭效应”导致锂硫电池的循环寿命差，阻碍其产业化的应用发展。正极材料中碳质材料的引入可以提高硫及硫化锂的导电性，缓冲体积变化，抑制多硫化锂穿梭，是提高其电化学性能的有效手段。在这类材料中，氮、氧、硫、磷、硼等杂原子掺杂的分等级多孔碳材料因其具有轻质、导电性良好、比表面积大、孔结构分布合理、对多硫化锂有较强的吸附能力、可提供了利于硫化锂沉积的界面等特征而成为硫最理想的载体。
目前，杂原子掺杂的分等级多孔碳材料的制备方法主要有：(1)直接烧结聚合物并结合后续KOH/CO2活化法；(2)制备不同尺寸的模板/聚合物复合材料，进行烧结并刻蚀模板法。方法(1)中KOH在活化过程中对设备有强烈的腐蚀性，CO2活化过程比较繁琐，对设备储气系统要求较高。方法(2)中模板/聚合物复合材料的制备工艺复杂，并且模板在聚合物中的分散不易控制，商业化模板SiO2的所用的刻蚀试剂HF/NaOH具有很强的腐蚀性。因此，探索简单可控、可用于大规模生产的杂原子掺杂的分等级多孔碳材料的制备方法尤为必要。
发明内容
本申请要解决现有制备杂原子掺杂的分等级多孔碳材料方法存在工艺复杂、不易控制的技术问题；而提供了一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法及应用。
为解决上述技术问题，本发明一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将苯胺溶于植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入过硫酸铵水溶液，混合均匀，在一定温度下静置反应，反应结束后，水洗，冷冻干燥得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶超声分散于无机盐氯化物溶液中，加热蒸干水分；
步骤四、然后在惰性气氛下碳化，酸处理，水洗，真空干燥，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料。
进一步地限定，步骤一中按苯胺和植酸的摩尔比为(2～7)：1的比例将苯胺溶于植酸水溶液中。
进一步地限定，步骤一中植酸水溶液的摩尔浓度为0.1mol·L-1～1mol·L-1。
进一步地限定，步骤二中过硫酸铵水溶液的摩尔浓度为0.5mol·L-1～10mol·L-1。
进一步地限定，步骤二中按苯胺与过硫酸铵的摩尔比为14：1的比例加入过硫酸铵水溶液。
进一步地限定，步骤二中在0～30℃下静置反应0.5h～72h。
进一步地限定，步骤二中在-50℃下冷冻干燥3h～72h。
进一步地限定，步骤三中聚苯胺植酸气凝胶与无机盐氯化物的质量比为1：(1～50)。
进一步地限定，步骤三中所述的无机盐氯化物溶液的质量分数为10％～28％。
进一步地限定，步骤三中所述的无机盐氯化物为LiCl、NaCl、KCl中的一种或其中几种的组合。
进一步地限定，步骤三中在60℃～90℃下加热。
进一步地限定，步骤四所述的炭化温度为700℃～900℃，炭化时间为2～3小时。
进一步地限定，步骤四用质量浓度为5％～20％的盐酸、硫酸或硝酸溶液进行酸化处理，酸化处理时间为1～5h。
进一步地限定，步骤四在50～100℃下真空干燥12～36h；惰性气氛为氮气气氛或者氩气气氛。
上述方法制得的多孔碳材料可作为载体材料用于锂硫电池正极材料中。
本发明方法制成的氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料改善了锂硫电池中硫正极的循环稳定性。本发明方法在具有三维连通骨架的聚苯胺-植酸气凝胶中引入氯化物无机盐，热解后进行酸洗和水洗，除去材料中的可溶物质，改变碳材料的孔结构，同时提高其导电性，以保证硫/碳复合材料在电池循环过程中稳定性。
本发明首次提出氯化物无机盐辅助聚苯胺植酸三维骨架的炭化策略，制备氮、磷双掺杂的分等级多孔碳材料，应用与锂硫电池的正极材料中；
本发明制备过程为静置反应，对反应场所要求较低；反应过程中涉及的操作简单易实现，所用原料价格低廉，重复性高，因此适于大量生产。
本发明氮-磷双掺杂碳材料比表面和孔容较大；NPC-Na不仅保持原有聚苯胺植酸气凝胶的三维连通的骨架结构，同时在骨架中引入大量的微孔和介孔。
本发明方法制备的分等级多孔碳材料的导电性优于直接炭化所得产物的导电性。
采用本发明制备的氮、磷双掺杂的碳材料负载70％的硫单质后，用作锂硫电池正极活性材料，充放电循环稳定性得到改善。
附图说明
图1为实施例1中NHC-Na的扫描电镜图；
图2为实施例1中NHC-Na的透射电镜图；
图3为实施例1中NHC-Na的氮气吸脱附曲线；
图4为实施例1中NHC-Na的粉末导电性曲线；
图5为实施例1中NHC-Na的X射线光电子能谱图；
图6为实施例1中NHC-Na负载硫后作为电池正极活性材料的充放电循环性能图；
图7为实施例2中NHC-Li的扫描电镜图；
图8为实施例3中NHC-K的扫描电镜图；
图9为实施例4中NHC-Na-20的透射电镜图；
图10为对比例1中NHC的扫描电镜图；
图11为对比例1中NHC的氮气吸脱附曲线。
具体实施方式
实施例1：本实施例中氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将4.85mL苯胺溶于20mL浓度为0.1mol·L-1植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入10mL浓度为2.5mol·L-1过硫酸铵水溶液，混合均匀，在5℃下静置反应12h，反应结束后，水洗，在-50℃下冷冻干燥36h，得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶取1g超声分散于100g质量分数为10％的NaCl水溶液中，在80℃下加热蒸干水分；
步骤四、然后在氮气气氛、900℃下碳化2h，用10wt％的硫酸酸处理，以去除可溶物质，水洗，在100℃下真空干燥24h，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料(标记为NPC-Na)。
图1至6分别展示了为实施例1中产物NPC-Na的相关性能。由图1可以看出NPC-Na为三维连通的多孔结构。图2的透射图表征了NPC-Na的内部连通的多孔结构。图3表征了NPC-Na的比表面积为1075m2·g-1，孔容为0.78cm3·g-1，从测试数据可知微孔、介孔、大孔的比例分别为27％，42％和31％，证实该碳材料的分等级多孔结构。图4表征了NPC-Na的电导率随压强的增加而增加的变化趋势，说明材料的电子导电性随压强的增加而增加。图5证明了NPC-Na表面存在氮和磷元素；图6表征了NPC-Na用作硫载体后，活性材料的初始比容量为821mAh·g-1，在0.335A·g-1的电流密度下充放电循环100次后容量保持率达85.2％。
对比例1:
步骤1、将4.85mL苯胺溶于20mL浓度为0.1mol·L-1植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤2、然后加入10mL浓度为2.5mol·L-1过硫酸铵水溶液，混合均匀，在5℃下静置反应12h，反应结束后，水洗，在-50℃下冷冻干燥36h，得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤3、然后在氮气气氛、900℃下碳化2h，得到碳化产物(NHC)的形貌为颗粒的堆积，如图10所示。图11展示了NHC的氮气吸脱附曲线，其比表面积为53m2·g-1和孔容为0.34cm3·g-1。而实例1中NHC-Na的比表面积是对比例1NHC的20倍，其中单纯微孔孔容增加了0.21cm3·g-1。由此可见，实例1可以明显地增加碳材料的比表面积和孔容。
实施例2：本实施例中氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将4.85mL苯胺溶于20mL浓度为0.1mol·L-1植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入10mL浓度为2.5mol·L-1过硫酸铵水溶液，混合均匀，在5℃下静置反应12h，反应结束后，水洗，在-50℃下冷冻干燥36h，得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶取1g超声分散于100g质量分数为10％的LiCl水溶液中，在80℃下加热蒸干水分；
步骤四、然后在氮气气氛、700℃下碳化2h，用10wt％的硫酸酸处理，以去除可溶物质，水洗，在100℃下真空干燥24h，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料(标记为NPC-Li)，其形貌如图7所示。
实施例3：本实施例中氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将4.85mL苯胺溶于20mL浓度为0.1mol·L-1植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入10mL浓度为2.5mol·L-1过硫酸铵水溶液，混合均匀，在5℃下静置反应12h，反应结束后，水洗，在-50℃下冷冻干燥36h，得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶取1g超声分散于100g质量分数为10％的KCl水溶液中，在80℃下加热蒸干水分；
步骤四、然后在氮气气氛、800℃下碳化2h，用10wt％的硫酸酸处理，以去除可溶物质，水洗，在100℃下真空干燥24h，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料(标记为NPC-K)，其形貌如图8所示。
实施例4：本实施例中氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将4.85mL苯胺溶于20mL浓度为0.1mol·L-1植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入10mL浓度为2.5mol·L-1过硫酸铵水溶液，混合均匀，在5℃下静置反应12h，反应结束后，水洗，在-50℃下冷冻干燥36h，得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、按聚苯胺植酸气凝胶与氯化钠的质量比为1：20的比例将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶取1g超声分散于100g质量分数为20％的NaCl水溶液中，在80℃下加热蒸干水分；
步骤四、然后在氮气气氛、900℃下碳化2h，用10wt％的硫酸酸处理，以去除可溶物质，水洗，在100℃下真空干燥24h，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料(标记为NPC-Na-20)，其形貌如图9所示。

Claims (10)

1.一种氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料的制备方法，其特征在于所述制备方法按以下步骤进行：
步骤一、将苯胺溶于植酸水溶液中，搅拌混合均匀；
步骤二、然后加入过硫酸铵水溶液，混合均匀，在一定温度下静置反应，反应结束后，水洗，冷冻干燥得到聚苯胺植酸气凝胶；
步骤三、将步骤二获得的聚苯胺植酸气凝胶超声分散于无机盐氯化物溶液中，加热蒸干水分；
步骤四、然后在惰性气氛下碳化，酸处理，水洗，真空干燥，得到氮-磷双掺杂分等级多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤一中按苯胺和植酸的摩尔比为(2～7)：1的比例将苯胺溶于植酸水溶液中，植酸水溶液的摩尔浓度为0.1mol·L-1～1mol·L-1。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤二中过硫酸铵水溶液的摩尔浓度为0.5mol·L-1～10mol·L-1。
4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤二中按苯胺与过硫酸铵的摩尔比为14：1的比例加入过硫酸铵水溶液。
5.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤二中在0～30℃下静置反应0.5h～72h。
6.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤二中在--50℃下冷冻干燥3h～72h。
7.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤三中聚苯胺植酸气凝胶与无机盐氯化物的质量比为1：(1～50)；所述的无机盐氯化物溶液的质量分数为10％～28％；所述的无机盐氯化物为LiCl、NaCl、KCl中的一种或其中几种的组合。
8.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤三中在60℃～90℃下加热。
9.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于步骤四所述的炭化温度为700℃～900℃，炭化时间为2～3小时；步骤四用质量浓度为5％～20％的盐酸、硫酸或硝酸溶液进行酸化处理，酸化处理时间为1～5h；在50～100℃下真空干燥12h～36h；惰性气氛为氮气气氛或者氩气气氛。
10.如权利要求1-9任意一项权利要求所述方法制得的多孔碳材料可作为载体材料用于锂硫电池正极材料中。
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