CN111453716A - 一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法 - Google Patents

一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法。所述制备方法包括，将盐酸多巴胺在有机溶剂中及碱的存在下在水溶性硫酸钠模板表面进行自组装，再将获得到的产物进行水洗，得到纳米管。本发明以水溶性纳米材料为模板，利用多巴胺在有机溶剂中聚合，成功制备了聚多巴胺包覆的纳米材料，并利用简单的水洗方式便可去除模板，得到了聚多巴胺纳米管，该纳米管经过碳化后形成碳纳米管。所得到的碳纳米管具有良好的氧还原性能和稳定性。

Description

一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法。
背景技术
钾元素在地壳中的储量丰富、来源广泛，且物理化学性质与锂元素相似，在离子电池领域中具有广阔的发展前景。钾离子电池的负极材料主要有石墨，金属合金，金属氧化物/硫化物/磷化物以及碳基化合物。在这些材料中碳材料最安全环保，更加符合实际应用需求。并且科学研究发现，钠离子不适用于石墨，钾离子比锂离子更适用于石墨。这是钾离子电池的一个最大优势。但是阻碍石墨在钾离子电池中应用的是其容量不高(270mAh·g-1)，循环稳定性差及倍率性能不理想。为了改善这个问题可以采取的有效策略是调整石墨结构，包括掺杂，杂化，层膨胀和形态控制。本发明以水溶性Na2SO4纳米线为模，以聚多巴胺为碳源，经过自组装，洗涤，碳化和KOH活化后，制备了中空氮氧共掺杂碳纳米棒作为钾离子电池高性能阳极。获得高可逆容量(在50mA g-1时为343.1mAh·g-1)，出色的比容量(在1和2A·g-1时分别为143.7和139.4mAh·g-1)，以及作为半电池中阳极材料的出色循环性电池(3000次循环后，在2A g–1时为136.6mAh·g–1。因此，为了提高钾离子电池负极材料高容量，高倍率性及长循环稳定性，制备一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料对于提高钾离子电池的电化学性能研究具有重要的现实意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)步骤S1,制备水溶性硫酸钠模板；
(2)步骤S2,Na2SO4@PDA自组装，水洗去除Na2SO4模板；
(3)步骤S3,将上述获得的PDA碳化；
(4)步骤S4,将上述获得的碳化产物活化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：
(1)该方法简单方便，水洗可以完全去除模板，不会破坏其结构；
(2)该法获得的碳纳米管具有较大的比表面积和宽的孔径分布(微孔，介孔，大孔都有)
(3)经电化学测试该碳纳米管具有较好的氧化还原性，稳定性。
附图说明
图1中A为Na2SO4纳米线的SEM图片，B和C分别为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇的SEM和TEM图。
图2中，A为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇作为钾离子电池半电池阳极材料CV测试曲线(扫速为0.1mv/s)。B为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇作为钾离子电池半电池阳极材料恒电流充放电测试曲线(电流速度50mA/g)。C为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇作为钾离子电池半电池阳极材料倍率性能测试曲线。D为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇作为钾离子电池半电池阳极材料长循环图。
图3为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇的BET测试结果。
图4为氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇的XPS表征结果。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
本实施例氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备，包括如下步骤：
(1)步骤S1，将1.1535g十二烷基硫酸钠(CH3(CH2)11OSO3Na)，0.0340g硝酸银(AgNO3),0.1805g二水合氯化亚锡(SnCl2·2H2O),0.1458g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，200ml N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，依次加入250ml的三颈圆底烧瓶，迅速移入160℃油浴锅，冷凝回流60分钟，直到清澈的溶液变成奶白色。然后将样品从油浴锅中取出并冷却至室温。然后，用离心机(10000rpm min-1,3min)收集白色沉淀，再用乙醇洗涤几次。
(2)步骤S2,将上述获得的Na2SO4纳米线(300mg)，多巴胺(300mg)，四甲基乙二胺(11.7998ml)，乙醇(300ml)分别加入500ml圆底烧瓶中，将圆底烧瓶至于30℃油浴锅中机械搅拌48h。然后通过离心(10000rpm·min-1，5min)得到了Na2SO4@PDA。水洗Na2SO4@PDA去除模板，然后在60℃下干燥10小时，可以得到中空PDA纳木棒。
(3)步骤S3,将上述获得的中空PDA纳米棒在氮气气氛下的管式炉中以5℃·min-1的升温速率在500℃下保持3小时。最后的样品经冷却至室温，研磨后收集。
(4)步骤S4,将上述获得的碳化产物在0.1M KOH水溶液中浸泡6h，然后在80℃的烘箱中干燥12h，形成微孔。接着样品在500℃氮气气氛中继续加热3h，最后用适量的0.1M HCl溶液和去离子水先后洗涤所得的中空氮氧共掺杂的碳纳米棒，然后将其80℃干燥12h保存待用。
通过图1-图4可知：
(1)该方法简单方便，水洗可以完全去除模板，不会破坏其结构；
(2)该法获得的碳纳米管具有较大的比表面积和宽的孔径分布(微孔，介孔，大孔都有)；
(3)经电化学测试该碳纳米管具有较好的氧化还原性，稳定性。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种氮氧共掺杂多孔碳纳米管层状簇电极材料的制备方法，其特征在于：
(1)步骤S1,制备水溶性硫酸钠模板；
(2)步骤S2,Na2SO4@PDA自组装，水洗去除Na2SO4模板；
(3)步骤S3,将上述获得的PDA碳化；
(4)步骤S4,将上述获得的碳化产物活化。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111234212A (zh) * 2020-01-14 2020-06-05 清华大学 一种聚多巴胺纳米管的制备方法
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