[发明专利]一种氮化钒-孔道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‑孔道碳纳米复合材料及其制备方法和用途，所述方法通过萃取提取钒氧酸根溶液中的V，从而降低了制备过程对于钒氧酸根溶液中钒物种纯度的要求，降低了制备过程的成本，本发明所述方法制备得到的氮化钒‑孔道碳纳米复合材料中氮化钒的平均粒径为2‑10nm，且其均匀分布在孔道碳上，孔道碳的成分包含石墨碳和无定型碳，从而具有优异的导电性和较大的比表面积；本发明所述方法制备得到的氮化钒‑孔道碳纳米复合材料中的V物种主要以氮化钒形式存在，其含量最高可达42.5％。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，尤其涉及一种氮化钒-孔道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，文献报道中通常在煅烧过程中加入模板(三聚氰胺)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，接着将产物置于氨气气氛下煅烧；因此，其与过渡金属氧化物和氟化物相比发展较慢；同时，较高的原料成本制约了其作为储能材料的进一步发展。

目前，过渡金属氮化物的合成方法主要分以下三类：

(1)在氮气或者氨气的氛围下煅烧过渡金属与碳的混合物；产物中氮化物含量低；

(2)氨解二元过渡金属化合物(氯化物、硫化物、氧化物)；可以避免金属烧结；

(3)气相沉积法制备过渡金属氮化物薄膜。在制备薄膜产物中广泛应用，产物为纳米或微米晶体；

其他方法还包括：固态复分解反应、溶剂热、溶胶合成等。

Xin Bin Yang等人报道了氮化钒/石墨烯复合物的合成方法：其包括以下步骤：(1)将0.2g偏钒酸胺溶解在体积比为9:1的水：乙醇的混合溶液中，使用盐酸将溶液pH调到2-3之间，将溶液置于100ml的水热釜中，随后加入30ml的氧化石墨烯(2mg/ml)，水热釜在180℃条件下维持24h；(2)将步骤(1)得到的产物在氩气和氨气的混合气条件下煅烧，最终得到氮化钒/石墨烯复合物(参见文献Wang R,Lang J,Zhang P,et al.Fast and LargeLithium Storage in 3D Porous VN Nanowires–Graphene Composite as a SuperiorAnode Toward High-Performance Hybrid Supercapacitors[J].Advanced FunctionalMaterials,2015,25(15):2270-2278)；上述制备工艺不仅复杂，同时还需要加入石墨烯，提高了制备成本。

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。