[发明专利]一种中空多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种中空多孔碳材料及其制备方法和应用，利用镍钴双金属羟甲基氢氧化物作为骨架，制备出了具备中空碳纳米花结构的负极材料，实现了氮、镍、钴在碳骨架中的共掺杂。合成方法简单安全，原料简单易得、合成成本较低。合成出的材料有着出色的循环稳定性和较高的比容量，在1A·g^‑1的电流密度下循环1000圈，仍能保留460mAh·g^‑1的比容量，容量保留率为92％。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料领域，具体涉及一种中空多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着全球人口的持续增长，生活水平的不断提高，能源的年均消耗量越来越高。传统化石能源例如石油、煤炭和天然气等具有储量有限和不可再生的缺点，并且它们燃烧所释放出的温室气体也会造成严重的环境问题，亟需开发出可靠的绿色二次能源作为替代品。

锂离子电池具有能量密度高、循环性能好、储存时间长、自放电小等优点，广泛应用于3C电子产品、便携式电子设备、电动汽车，是当今最热门的电能存贮和转换系统。钠离子与锂离子为同一主族，有着和锂离子相近的物理化学性质。钠离子电池与锂离子电池工作原理相同，并且天然储量更高，在能量储存领域有着巨大的发展潜力。目前，锂离子电池和钠离子电池负极材料的研究方向可主要分为合金材料、金属化合物材料和碳基材料。合金材料和金属化合物材料相比碳基材料虽然有着更高的理论比容量，但电导性差，体积效应大等缺点限制了它们的实际应用。碳基材料具有比表面积大、结构多孔、骨架坚硬、化学性质稳定等优点，是理想的负极材料载体。当今锂离子电池最常用的商用负极是石墨，但由于其较低的理论比容量(372mAh·g^-1)，难以满足不断增长的能源需求。此外，钠离子的原子半径较大，难以嵌入到石墨中。石墨烯有着二维导电网络，比表面积大和结构多孔等优点，是碳基材料的研究热点之一，但是合成方法复杂、成本高、产率低以及产品纯度低等缺点限制了石墨烯的大规模应用。

因此迫切需要开发出一种合成方法简单，成本低廉的碳基负极材料，将其作为锂/钠离子电池负极时，能有着较高的电池容量，出色的循环稳定性以及优秀的容量保持率。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种中空多孔碳材料及其制备方法和应用。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供一种中空多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将四水合醋酸镍(C₄H₆NiO₄·4H₂O)和四水合醋酸钴(C₄H₆CoO₄·4H₂O)溶于甲醇中，搅拌混合均匀后，转移至水热釜中进行溶剂热反应，之后将沉淀物依次洗涤和干燥处理，得到前驱体纳米花状的双金属羟甲基氢氧化物Ni_0.5Co_0.5(OH)(OCH₃)。

步骤2，将三羟甲基氨基甲烷(Tris)溶解在去离子水中，加入Ni_0.5Co_0.5(OH)(OCH₃)，超声分散成均一的悬浊液，再加入盐酸多巴胺，室温下搅拌反应后，把沉淀过滤洗涤，真空干燥，得到中间体Ni_0.5Co_0.5(OH)(OCH3)@PDA；

步骤3，将Ni_0.5Co_0.5(OH)(OCH₃)@PDA置于管式炉中，在保护气氛下恒温退火还原，得到中间体Ni_0.5Co_0.5@NC；

步骤4，将Ni_0.5Co_0.5@NC加入酸液中，超声分散均匀，静置后，把沉淀过滤洗涤，真空干燥，得到产物中空多孔碳纳米花HCN。