[发明专利]一种氮化钒-氮掺杂石墨碳纳米复合材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种氮化钒‑氮掺杂石墨碳纳米复合材料及其制备方法和用途，本发明所述方法采用萃取的方法将钒氧酸根溶液中的钒萃取得到萃合物，之后将干燥后的萃合物与氰胺类物质混合煅烧，得到所述氮化钒‑氮掺杂石墨碳纳米复合材料；本发明所述方法制备得到的氮化钒‑氮掺杂石墨碳纳米复合材料中碳载体包括石墨碳和无定型碳，其形貌为薄片状，氮化钒的平均粒径为2‑10nm，氮化钒在碳载体上分散均匀，且碳载体与氮化钒纳米颗粒结合紧密；所述复合材料在储能材料领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及储能材料领域，尤其涉及一种氮化钒-氮掺杂石墨碳纳米复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

氮化钒由于其显著的电化学特殊性、化学稳定性，在储能材料领域得到了广泛的应用。然而材料合成步骤复杂、条件苛刻、产物颗粒团聚是制备工艺所需解决的主要问题。据文献报道，很多氮化物(特别地，包含s-区元素)制备过程对空气和水分非常敏感。这些影响因素的存在会影响产物中氮化物的含量。为了避免过渡金属氮化物的团聚，文献报道中通常结合静电纺丝技术或者通过水热的方法将含钒物质负载在石墨烯或者碳纳米管上。工艺复杂、制备成本高。迄今为止，在制备氮化钒/碳基纳米复合材料过程中，钒源多为化学纯的钒化合物试剂，原料成本制约了其作为储能材料的进一步发展。

Hong-hui liu等人报道制备氮化钒/氮掺杂石墨烯纳米复合材料所利用的钒源为化学纯的偏钒酸胺(参见文献Liu H H,Zhang H L,Xu H B,et al.In situ self-sacrificed template synthesis of vanadium nitride/nitrogen-doped graphenenanocomposites for electrochemical capacitors.[J].Nanoscale,2018,10(11))。Jinghua liu等人报道制备氮化钒/氮掺杂石墨烯纳米复合材料所利用的钒源为化学纯的VOSO₄(参见文献Liu J,Li F,Liu W,et al.Effect of calcination temperature on themicrostructure of vanadium nitride/nitrogen-doped graphene nanocomposites asanode materials in electrochemical capacitors[J].Inorganic ChemistryFrontiers,2019)。

CN109205590A公开了一种负载于3D碳泡沫骨架上的氮化钒纳米簇及其制备方法,包括以下步骤：第一步，碳化三聚氰胺泡沫，得到3D碳泡沫体；第二步，将第一步中3D碳泡沫体浸入溶液A中，并进行水热反应；溶液A是将浓度为10～30mol/L的偏钒酸铵、1～10mol/L的六次甲基四胺和草酸水溶液以(1～3)：(1～4)：(1～5)的体积比混合，搅拌充分得到；反应结束冷却至室温后，将3D碳泡沫体采用水和无水乙醇交替进行冲洗，冷冻干燥，得到中间产物；第三步，将上述所得中间产物进行煅烧，反应结束后冷却至室温，得到负载于3D碳骨架上的氮化钒纳米簇；此方案采用钒源只能采用化学纯的偏钒酸铵，其制备过程较复杂，成本较高。

CN109280934A公开了一种碳包覆的氮化钒电催化剂，以富碳有机物为碳源，以金属钒盐为钒源，以尿素、碳酸氨、碳酸氢铵等为氮源，通过机械法混合均匀后通过一步煅烧得到碳包覆的VN纳米粒子，此方案制备得到的碳包覆的氮化钒的纯度不足，产物中的碳均为无定型碳，制备成本也较高。

虽然上述方法提供了一些制备氮化钒和氮化钒-碳复合材料的方法，但仍然存在着制备过程需采用化学纯的钒盐，且制备过程复杂，制备成本高，产物中氮化钒的含量低的问题，因此，开发一种低成本的氮化钒-氮掺杂石墨碳复合材料的制备方法仍具有重要意义。

发明内容