[发明专利]氮掺杂多孔碳材料的制备方法、制得的多孔碳材料及其应用

说明书

本发明公开氮掺杂多孔碳材料的制备方法，涉及纳米材料制备技术领域，本发明包括以下步骤：(1)制备黄色前驱物；(2)将黄色前驱物在氮气气氛中，于600‑700℃下，以10℃/min的速率加热碳化2h，得到黑色样品；(4)将黑色样品超声分散在去离子水中，然后加入混合酸回流刻蚀；(5)将回流刻蚀后的样品洗涤后干燥，即获得氮掺杂多孔碳材料。本发明还提供采用上述方法制得的材料及其应用。本发明的有益效果在于：本发明制备方法安全易行，合成周期短，可以大量制备有望得到推广和产业化应用。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法、制得的多孔碳材料及其应用。

背景技术

锂离子电池是一种具有高能量和功率密度的便携式电子设备储能系统。然而，地理限制和锂资源不断增加的成本极大地阻碍了其未来应用的潜力。考虑到锂资源的不均匀分布和地壳中锂资源的稀缺(20ppm)，开发基于低成本且在地球上含量丰富的元素如钠(23000ppm)钾(17000ppm)的可充电金属离子电池是可取的。此外，钠和钾与锂具有相似的物理化学性质和电化学反应机理，使SIBs和KIBs成为LIBs很有前途的替代品。因此，探索具有合适结构的可逆转阳极材料用于高性能的钾离子电池是至关重要的。

迄今为止，国内外对钾离子阳极材料的设计，如硫化物、硒化物、磷化物、碳质材料等，都做了大量的工作。其中，碳质材料因其环保、成本低、含量丰富等优点，成为KIBs极具吸引力的阳极。迄今为止，提高碳质材料储钾性能的有效策略之一是调节更多吸附钾的活性位，然而，很少有研究集中于研究内表面含有大量N原子修饰的纳米孔所形成的超钾储存能力。

公开号为CN110002424A的专利申请公开氮和氧共掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用，通过硝酸钴与2-甲基咪唑在常温下制备前驱物，再在氮气中煅烧前驱物得到黑色材料，再通过水热氧化的方法处理上述黑色材料，最终用硝酸回流处理上述得到的材料，得到双原子掺杂的碳材料即氮和氧共掺杂多孔碳材料。但是制得的氮和氧共掺杂多孔碳材料的稳定性较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于现有技术中的氮和氧共掺杂多孔碳材料的稳定性较差，提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：

一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在室温下将氯化镍溶解在甲醇中，形成溶液A，将聚乙烯吡咯烷酮和2-甲基咪唑溶解在甲醇中，形成溶液B，然后将溶液A和溶液B在搅拌状态下混合后，静置24h；其中氯化镍的浓度为13.3-16.3mg/mL，聚乙烯吡咯烷酮的浓度为16.7-30mg/mL，2-甲基咪唑的浓度为21.9-32.8mg/mL；

(2)将步骤(1)中的混合溶液离心，将离心后的产物进行洗涤、干燥，获得黄色前驱物；

(3)将步骤(2)中的黄色前驱物在氮气气氛中，于600-700℃下，以10℃/min的速率加热碳化2h，得到黑色样品；

(4)将黑色样品超声分散在去离子水中，然后加入混合酸回流刻蚀；

(5)将回流刻蚀后的样品洗涤后干燥，即获得氮掺杂多孔碳材料。

有益效果：本发明采用氯化镍、2-甲基咪唑在常温下制备前驱物，制备过程中以聚乙烯吡咯烷酮为表面活性剂，调整甲醇的用量，形成的前驱体为片装组成的纳米球，刻蚀形成的碳材料为空心碳材料，具有空心酥松多孔结构，在纳米孔表面掺杂了大量的边掺杂氮原子，为K⁺的吸附提供了大量的活性位点，缩短了电子和K⁺的扩散距离，作为负极材料时，具有很高的比容量和良好的循环稳定性，尤其在大电流5A/g的充放电过程中，循环10000次后，能保持167mAh/g。