[发明专利]过渡金属氮化物/二维氮掺杂碳复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种过渡金属氮化物/二维氮掺杂碳复合材料及其制备方法，属于氮化物/碳复合材料制备与应用技术领域。将含氮聚合物或有机胺作为插层剂嵌入过渡金属硫化物层间，得到前驱体；将前驱体进行热处理，插层的含氮聚合物或有机胺原位碳化为二维氮掺杂碳，过渡金属硫化物脱硫氮化生成过渡金属氮化物纳米粒子，得到过渡金属氮化物纳米粒子和二维氮掺杂碳纳米复合材料。本发明的复合材料一方面抑制了碳片的团聚和堆叠，另一方面金属氮化物纳米粒子“桥接”在碳片层间，有利于充放电过程中电子传输、离子的吸附和表面氧化还原反应，使电极材料内部的活性储能位点得以充分利用，用作超级电容器电极材料，表现出高的能量密度和功率特性。

技术领域

本发明涉及氮化物/碳材料复合材料设计制备与应用技术领域，更具体的，涉及一种过渡金属氮化物/二维氮掺杂碳复合材料及其制备方法，尤其涉及一种过渡金属氮化物纳米粒子/二维氮掺杂碳复合材料的制备方法及其在超级电容器中应用。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器和锂电池之间的新型电化学储能器件，具有充放电速度快、循环寿命长、安全性高等优点，在储能领域得到了广泛的关注。但是，超级电容器普遍存在能量密度低特别是体积能量密度低的问题，限制了其应用范围。电极材料是超级电容器的核心组成部分，决定其储能性能。过渡金属氮化物或氮氧化物是近年来新发展的一类电极材料。其中，过渡金属氮化物是间隙性固溶体，N原子占据面心立方、六方或六方密堆积的金属晶格间隙。引入氮原子将形成M-N键(M为金属原子)，使原本的金属间距扩张以及金属d带收缩，导致d轨道电子密度增加，费米态密度变高，因此过渡金属氮化物具有类金属的导电性。其作为电极材料具有高导电性、高热导率、高密度、良好的化学稳定性以及大的赝电容、宽的工作电压等优点，相比碳材料，过渡金属氮化物具有更大的质量比电容和振实密度，相比过渡金属氧化物，过渡金属氮化物具有更好的导电性和倍率性能，因而在超级电容器中具有很好的应用前景。到目前为止，各种纳米结构的氮化物材料被报道，例如纳米颗粒、纳米片、纳米线等。但是这些氮化物材料存在比表面积较小，颗粒大小难以调控，电化学活性储能位点较少，比容量较小的缺点。亟需一种有效可控的方式制备金属氮化物基材料，提升其性能，这是金属氮化物电极材料实用化的前提与基础。

碳材料作为常见的双电层材料具有高的比表面积和优良的导电性，常被用于与金属氮化物复合提升超级电容器性能。目前，许多金属氮化物与碳材料的复合方式被报道，例如氮化钒纳米线与碳纳米管复合，氮化钼与还原氧化石墨烯复合，氮化钒纳米粒子与石墨烯层结合，在金属氮化物表面包覆碳以及将金属氮化物生长在碳布上。然而，复合电极结构中，碳纳米管、还原氧化石墨烯或碳布占据的空间大，导致活性材料的负载率小、空间利用率低和电极材料堆积密度低等问题，另一方面复合结构中存在单体材料利用率低、易聚集以及复合界面不稳定等问题，导致电极和器件的体积比容量和能量密度偏低，难以满足应用要求。所以，设计一种复合结构以提高电极材料电化学利用率是推进其在超级电容器领域应用的关键。

发明内容

本发明解决了现有技术中复合电极活性材料的负载率小、空间利用率低和电极材料堆积密度低等问题，另一方面复合结构中存在单体材料利用率低、易聚集以及复合界面不稳定等技术问题。本发明氮化物纳米粒子与二维氮掺杂碳在纳米尺度下逐层复合，有利于充放电过程中离子的快速扩散、吸附和表面氧化还原反应，增加了离子接触表面积和储能活性位点，使电极材料内部的活性储能位置也得以充分利用。

根据本发明第一方面，提供了一种过渡金属氮化物纳米粒子和二维氮掺杂碳纳米复合材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将含氮聚合物或有机胺作为插层剂嵌入过渡金属硫化物层间，得到含氮聚合物或有机胺插层过渡金属硫化物前驱体；

(2)将步骤(1)得到的前驱体加热碳化，使插层的含氮聚合物或有机胺原位碳化为二维氮掺杂碳，得到氮掺杂碳插层过渡金属硫化物复合材料；