[发明专利]一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明提供一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料及其制备方法与应用。本发明以豆类或坚果类植物蛋白质源，制备成浆料后加热，加入钠源、钒源和磷源进行反应，然后调pH；最后经水热反应、惰性气氛下煅烧制备得到氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料。本发明以豆类或坚果类做碳源、氮和氢源、吸附剂、络合剂、凝固剂及反应载体，主要利用蛋白质(氨基酸)组成、结构及性能特点，通过吸附、络合、凝聚无机离子与离子团，并经过裂解还原和N、H原位掺杂反应，制备具有良好电化学性能的氮氢原位双掺杂骨架软碳与磷酸钒钠复合的介孔材料。本方法使用的碳源其成本低、无毒无污染，合成的复合材料比容量、倍率性能和循环性能等电化学性能优异。

技术领域

本发明涉及一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料及其制备方法与应用，属于钠离子电池正极材料技术领域。

背景技术

钠离子电池由于钠成本低、来源丰富引起了人们的关注。在钠离子电池正极材料中，磷酸钒钠因具有成本低、开放的3D框架NASICON结构和较大的间隙通道能加快钠离子的迁移速度等优点被认为是最具有潜力的正极材料之一。但磷酸钒钠因导电性和电化学性能较差等原因限制了其发展与应用。对磷酸钒钠进行掺碳已经被证明是一种能有效提高其导电性和电化学性能的方法，目前多采用碳包覆方法，例如，中国专利文献CN105336924A公开了一种碳包覆的磷酸钒钠正极材料的制备方法，以葡萄糖作为还原剂和碳源，水为分散剂，将NH₄V_O3、NaH₂PO₄·2H₂O和葡萄糖在水中球磨，经过喷雾干燥，煅烧后得碳包覆的粒状颗粒磷酸钒钠正极材料，在1C倍率下首次充放电比容量最高为93.5mAh/g，1C循环50圈后容量保持率为97.7％，不仅电化学性能一般，而且制备工艺复杂、成本高。中国专利文献CN109768258A公开了一种磷酸钒钠-碳-石墨烯纳米复合材料的原位合成方法及其应用，该方法在合成磷酸钒钠时加入含有石墨烯的悬浊液，通过水热和煅烧，合成出石墨烯包覆磷酸钒钠/碳复合材料；该材料作为钠离子电池正极材料时，在1C下首次放电比容量为98mAh/g，不仅电化学性能一般且因石墨烯价格较贵导致其合成材料成本高，同时其使用有机溶剂DMF存在不环保的问题。

因此，寻找低成本、绿色环保、性能优异的磷酸钒钠/碳复合材料新技术迫在眉睫且具有重要的实际意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料及其制备方法与应用。本发明以豆类或坚果类做碳源、氮和氢源、吸附剂、络合剂、凝固剂及反应载体，主要利用蛋白质(氨基酸)组成、结构及性能特点，通过吸附、络合、凝聚无机离子与离子团，并经过裂解还原和N、H原位掺杂反应，制备具有良好电化学性能的氮氢原位双掺杂骨架软碳与磷酸钒钠复合的介孔材料。本方法使用的碳源其成本低、无毒无污染，合成的复合材料电化学性能优良。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料，所述的复合材料包括磷酸钒钠相和与磷酸钒钠复合的氮氢双掺杂软碳骨架，复合材料中磷酸钒钠的质量含量为80-90％，碳的质量含量为9-17％，氮的质量含量为0.5-2.5％，氢的质量含量为0.3-1.6％；该复合材料具有介孔结构，其孔径为2-10nm。

本发明还提供一种氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料的制备方法。

上述氮氢原位双掺杂软碳/磷酸钒钠复合材料的制备方法，包括步骤：

(1)将植物蛋白质源浆料于80～100℃下加热0.2～1h，得到溶液A；所述植物蛋白质源为豆类或坚果类；

(2)将钠源、钒源和磷源按Na:V:P摩尔比为3:2:3加入到溶液A中混合，于60～100℃搅拌0.2～1h使其溶解与反应，然后调节pH至4～7，得到混合物B；