[发明专利]一种由金属及其金属衍生物复合的二维碳片气凝胶材料的规模化制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种由金属及其金属衍生物复合的二维碳片气凝胶材料的规模化制备方法及其应用，属于功能纳米材料的制备技术领域。将水加入到琼脂糖与金属盐的混合物中，在微波反应器内微波加热处理，得到金属盐‑琼脂糖的复合泡沫，将该泡沫进一步煅烧得到由金属纳米颗粒复合的二维碳片所构成的碳气凝胶。该方法制备的碳气凝胶具有高的比表面积、高石墨化和较大的二维面积，因此具备了高导电率，快速的离子传输通道以及高活性位点等特性，在能源存储和电化学催化反应中，具备了高容量、高稳定性、高活性的优势。整个材料的制备流程简单，原料价格低廉，适合大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种可作为能源存储与电化学催化材料的金属及其金属衍生物复合的二维碳片气凝胶材料的制备方法，属于功能纳米材料的制备技术领域。

背景技术

能源危机至今仍是一个亟待解决的全球性问题。大量消耗化石能源导致化石能源日益枯竭，而且造成了环境污染和全球气候变暖。发展新能源技术能有效解决能源问题。电池技术将能量以化学能的形式储存，是一种绿色、高效的能源储存和转化的技术。锂离子电池具有较长的循环寿命，高能量密度，低自放电，对环境友好等特点广泛应用于手机、电脑、电动汽车等移动能源设备中，是新能源领域中技术最成熟和应用最广泛的一种能源转换技术。另外，燃料电池能将生物质能直接转化放电的新能源技术，与传统电池相比减少了转化成化学能的过程，不受卡诺循环限制，大大提升了燃料的利用率。目前燃料电池技术已经应用于新能源汽车中。

目前商业化锂离子电池的负极材料为石墨，其理论比容量仅为372mAh g^-1，无法满足市场对高性能锂离子电池的需求。因此需要发展一种具有比容量高，价格低廉等特点的锂离子电池负极材料。在燃料电池领域中，氧还原反应(ORR)需要催化剂提升效率，氧气还原后能与燃料结合。商业化的催化剂是碳负载铂，其价格昂贵，易中毒等因素制约了燃料电池的发展。

气凝胶是一种具有低密度、高孔隙率、高比表面积的纳米材料。高的比表面积可以增加催化活性位点，提升催化性能。碳基气凝胶还可以作为电池充放电过程中的保护层，限制活性材料因反应导致的体积膨胀脱离集流体。因此气凝胶能有效地提升材料的电化学性能。利用简单的条件规模化制备气凝胶是本发明的核心。能解决商业电池存在的成本高、效率低等问题。

过渡金属氧化物是一种转换类负极材料，因其具有理论比容量高(～1000mAh g^-1)，储量丰富，价格低廉，对环境友好等优势而被视为下一代负极材料。但过渡金属氧化物的导电性能差，容量衰减快，倍率性能差等问题约束了其商业应用，因此研究人员通过各种方法对过渡金属氧化物进行修饰。碳包裹过渡金属氧化物复合材料是目前研究热点之一。碳材料能稳定存在于锂离子电池电解液中，对过渡金属氧化物有保护作用，因此能有效缓解过渡金属氧化物性能的衰减。

琼脂糖(agarose)是一种线性的多聚物。在水中溶解度随着温度的提升而提升，并在约90℃以上溶解。冷却后形成半透明的凝胶。在琼脂糖凝胶中，具有糖链的次级链形成的网状结构，因此琼脂糖既可以提供碳源，又能作为二维碳片的前驱体。

尿素(urea)是一种含氮量极高的有机物，常被作为化学氮肥使用。其具有价格低廉，含氮量高，水溶性好的优势，在材料合成中常被作为氮源使用，研究表明氮掺杂的碳材料具有优异的ORR催化活性。

发明内容

本发明提供一种利用低成本原料规模化制备具有优异的电化学性能的金属及其金属衍生物复合的二维碳片气凝胶材料的简单工艺。其中，制备的氮掺杂Fe₃C气凝胶具有优异的ORR性能，Fe/Fe₃O₄复合物气凝胶具有优异的锂离子电池性能。解决商业电池材料生产工艺复杂，成本高，性能差等问题。

本发明制备的纳米复合材料是通过以下实验方案实现的。

一种由金属及其金属衍生物复合的二维碳片气凝胶材料的规模化制备方法，该制备方法包括以下步骤：