[发明专利]高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法及应用。该高比表面积氮掺杂多孔碳材料以细菌纤维素为碳前驱体，六水硝酸镁为氮掺杂剂、造孔活化剂和模板剂，通过细菌纤维素吸收六水硝酸镁溶液，随后进行高温碳化，稀盐酸洗涤，最终制得高比表面积氮掺杂多孔碳材料。利用六水硝酸镁同时具备作为活化剂、掺杂剂以及模板剂的作用，对碳材料进行氮元素的掺杂，优化孔径、提高比表面积。制备的碳材料具有连通的孔结构、高比表面积、活性位点多和电导率高等特点，作为负极材料应用在钾离子电池中具有优良的电化学性能。

技术领域

本发明属于化学能源材料领域，具体涉及到高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备，尤其涉及到一种钾离子电池用高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法及应用。

背景技术

随着人口攀升，化石能源日益枯竭，能源消耗和环境负担不断增加，开发高效、可持续和清洁的新型储能设备成为人们迫切解决的问题。锂离子电池作为电动汽车和电子设备的主要动力源，近年来的需求不断增长。但由于锂资源在地壳中的丰度较低，大规模应用成本较高，开发可以替代锂离子电池的可充电电池是非常迫切需要解决的问题。近年来，钾离子电池因钾储量丰富、钾化合物的价格低廉，钾电解质的离子电导率高等优势，成为最有可能替代锂离子电池的离子电池之一。但钾离子半径较大，动力学缓慢，这就有可能导致钾离子嵌入/脱出过程中发生体积膨胀和倍率性能差的问题。一些锂离子电池常用负极材料也因为这些问题不能应用在钾离子电池中。因此研究高容量、倍率性能好、循环寿命长的钾离子电池负极材料是实现钾离子电池大规模应用的关键问题之一。

为解决上述问题，研究人员已开发了多种负极材料，例如碳材料、合金、金属化合物、有机化合物等。其中，碳基材料凭借高导电性、成本低以及化学稳定性成为钾离子电池负极材料的研究热点，但一些碳材料也存在着容量低、倍率性能差的问题。例如石墨在钾离子电池中理论容量仅有279 mA h g^-1，同时钾离子嵌入/脱出过程中发生巨大的体积膨胀以及低扩散动力学限制了其应用。为解决这些问题，人们在优化碳负极材料上做出了许多努力，例如增加缺陷来提高活性位点、增加比表面积以提高储钾能力等。几种单独的优化方法，如异质元素掺杂、活化法、模板法是代表性优化方法；异质原子掺杂主要通过调节电子特性来提高碳材料的导电性和对电解液的润湿性，并通过表面官能团的氧化还原反应形成额外的赝电容。活化法可以提高碳材料表面积和调节孔结构。例如氮掺杂是近年来研究较多的提高钾储存性能的材料，可以引入缺陷，提高电导率，优化碳层间距等优点。活化法主要通过活化剂通过与碳基体发生氧化还原反应刻蚀碳基体，产生的气体进一步增加孔隙度，形成了高比表面积多孔结构碳。而模板法可以将模板的结构引入碳中，从而形成具有特定形貌的碳。然而，现有技术中的上述异质元素掺杂、活化法、模板法只能单独的实施，而每种方法对增加比表面积以提高储钾能力的改进都有限，因此，需要探索一种新的、能产生更高储钾能力，并能应用于钾离子电池的材料。

发明内容

本发明公开了一种高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法，尤其是该方法制备的高比表面积氮掺杂多孔碳材料可以用于钾离子电池。制备的材料具有连通的孔结构、高比表面积、活性位点多和电导率高等特点，作为负极材料应用在钾离子电池中具有优良的电化学性能。

本发明的一种高比表面积氮掺杂多孔碳材料的制备方法以细菌纤维素为碳前驱体，六水硝酸镁为氮掺杂剂、造孔活化剂和模板剂，通过细菌纤维素吸收六水硝酸镁溶液，随后进行高温碳化，稀盐酸洗涤，最终制得高比表面积氮掺杂多孔碳材料。利用六水硝酸镁同时具备作为活化剂、掺杂剂以及模板剂的作用，对碳材料进行氮元素的掺杂，优化孔径、提高比表面积。