[发明专利]一种生物质微管与碳纳米管杂化碳材料及其制备方法

说明书

本发明属于多孔碳材料技术领域，公开了一种天然生物质微管与碳纳米管杂化碳材料制备方法，包括：将具有微管结构的天然生物质微管分散于金属催化剂前体的溶液中，并在温度为25～50℃、搅拌速度100～200r/min的条件下搅拌3～10h，而后在温度为70～100℃的条件下将溶剂蒸干，将得到的负载有金属催化剂前体的生物质微管与氰胺类化合物进行混合研磨，而后在惰性气氛下进行碳化处理得到碳化粉末；将碳化粉末置于浓度为3～10mol/L酸溶液中，在60～80℃条件下回流搅拌反应24～48h，再冷却至室温，然后经过抽滤处理，取滤饼用水多次洗涤直至滤液pH为6.8～7.2，最后在温度为60～80℃的条件下干燥10～24h，得到生物质微管与碳纳米管杂化碳材料。本发明提供的制备方法，工艺简单，设备要求低，成本低廉。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料技术领域，特别涉及一种生物质微管与碳纳米管杂化碳材料及其制备方法。

背景技术

锂硫电池作为一种能源储存系统，由于具有较高的理论能量密度(2600 Wh/Kg)和理论容量(1675mAh/g)而受到人们广泛的关注。然而，硫作为正极材料还存在一些固有的缺陷，如硫在常温下不导电，多硫化物易溶于电解液在正负极之间穿梭等，这极大地抑制了硫电极的实际应用。多孔碳具有丰富的孔洞结构和高的比表面积和导电性，将硫粉负载到多孔碳的孔道中，有利于提升材料整体导电性，同时借助多孔碳材料的孔道限域效应抑制电池反应过程中多硫化物的“穿梭效应”。

天然生物质具有来源广泛，价格低廉等优势，但是传统的生物质通常被焚烧掉，不仅造成环境污染，而且不会产生任何附加值。实际上生物质可以作为碳源制备活性炭材料，但是活性炭作为锂硫电池中，导电性不是很好。有些生物质具有天然管状结构，但是相比碳纳米管其管径较粗，若碳化后进行载硫，由于硫粉的导电性较差，所以填充在管内部的硫粉，会产生“死硫”区域，不利于电子快速传递出去，所以内部的活性物质得到充分利用。因此，若在其内部或表面引入碳纳米管，既可以提升碳管的导电性和比表面积，同时还可以作为电子传输路径，有利于生物质管内部硫粉在充放电过程中的电子的快速转移。

现有技术中，以碳纤维为骨架，先在表面沉积一层镍催化剂，以乙炔为碳源，然后通过化学气相沉积法(CVD)技术在碳纤维表面生长碳纳米管。或者，通过将碳纳米管填充到中空的碳纳米管中，其做法是先将多壁碳纳米管表面修饰SiO₂，然后在其表面包覆碳源，最后将SiO₂除去，获得了“tube-in-tube”结构碳质材料。这种特殊结构不仅能够强化锂硫电池正极的导电性、抑制多硫化物的向外溶解，而且提供了巨大的硫储存空间。其硫含量高达71％时，在500mA·g^-1时在50圈之后依然可以保留918mAh·g^-1的容量。

上述方法存在一些缺点：化学气相沉积法(CVD)技术工艺复杂，需要干净的操作环境，成本较高，不适宜大规模生产；原料成本较高，需要使用价格昂贵的碳纤维或碳纳米管。因此，需要开发一种价格低廉，工艺简单制备这种杂化碳材料的方法，使之能够用于能源存储与转化领域，特别是在锂硫电池中能够具有优异性能。

发明内容

本发明提供一种生物质微管与碳纳米管杂化碳材料及其制备方法，解决现有技术中工艺复杂，成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种天然生物质微管与碳纳米管杂化碳材料制备方法，用于锂硫电池；包括以下步骤：

将具有微管结构的天然生物质微管分散于金属催化剂前体的溶液中，并在温度为25～50℃、搅拌速度100～200r/min的条件下搅拌3～10h，而后在温度为70～100℃的条件下将溶剂蒸干，得到负载金属催化剂前体的生物质微管；

将所述负载有金属催化剂前体的生物质微管与氰胺类化合物进行混合研磨，而后在惰性气氛下进行碳化处理：以2～5℃/min从室温升温至750～ 1000℃，并保持1～5h，最后自然冷却至室温得到碳化粉末；