[发明专利]一种高氮掺杂类石墨烯纳米粒子的制备方法及其作为锂离子电池负极材料的应用

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，特别涉及一种高氮掺杂类石墨烯纳米粒子的制备方法以及在锂离子电池负极材料中的应用。

背景技术

氮掺杂石墨烯是一种具有广泛用途的新型材料，由于其含有氮原子掺杂以及具有特殊的二维平面结构，因此在电子学、催化、能量转化和储存等方面都有着极大的应用前景。2014年美国《纳米快报》杂志(Nano Letters，2014年，第14卷，1164页)报道了在氩气中制备氮掺杂的石墨烯，并且该材料在用作锂离子电池负极材料时，表现出了较好的性能。2011年英国皇家化学会《材料化学》杂志(Journal of Material Chemistry，2011年，第21卷，5430页)报道了使用氧化石墨烯在氨气中退火合成了具有良好储锂性能的氮掺杂石墨烯，其氮含量的原子百分比为7.6％。2013年荷兰《电化学学报》杂志(Electrochimica Acta，2013年，第90卷，492页)报道了在氩气中700℃煅烧石墨烯和三聚氰胺的混合物，得到氮含量的原子百分比为7.04％的氮掺杂石墨烯，并且该材料在用作锂离子电池负极材料时，经过50次循环后仍然具有1136mAh/g的容量，表现出了较好的性能。为了大批量地制备高氮掺杂的碳材料，需要一种安全、简单、高效，同时易于控制产物形貌和尺寸的方法。但是，目前制备氮掺杂碳材料的方法主要局限于高温固相法，而这些方法都需要较高的温度和较长的反应时间，同时会引入大量有毒小分子(如氨气、三聚氰胺等)。此外，所得到的氮掺杂碳材料中氮含量较低，并且制备过程中的工艺常常比较复杂，也难以得到大面积推广和产业化应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备工艺简单的高氮掺杂类石墨烯纳米粒子的制备方法，以期提高产物的比表面积和氮含量，提供提高其用做锂离子电池负极材料时的性能。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明高氮掺杂类石墨烯纳米粒子的制备方法，其特点在于：在室温环境下，将50mL含有105mg硝酸锌Zn(NO₃))的甲醇溶液滴入到50mL含有120mg的2-甲基咪唑(C₄H₆N₂)和1.5g聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的甲醇溶液中，搅拌均匀后静置10小时，离心分离得到前驱物ZIF-8(锌与2-甲基咪唑形成的配合物)纳米粒子；

将所得的前驱物ZIF-8纳米粒子置于高温炉中，在氮气气氛中以5℃/min的速率升温到600-1000℃，其中氮气流量为400ml/min；再在此温度下煅烧8小时，自然冷却至室温后，用稀盐酸除去样品上残留的杂质，然后依次用水和乙醇洗涤样品三次后，所得多面体粒子即是由目标产物氮掺杂类石墨烯纳米粒子聚集而成。

不同温度下煅烧所得到的高氮掺杂类石墨烯纳米粒子样品有差异，随着温度的升高，所得样品含氮量降低；且随着温度的升高，所得样品中吡咯型氮(N-5)、吡啶型氮(N-6)和石墨型氮(N-C)三种类型氮的含量也发生变化。

本发明进一步提供了高氮掺杂类石墨烯纳米粒子作为锂离子电池负极材料的应用。

本发明高氮掺杂类石墨烯纳米粒子用作锂离子电池负极材料的测试电池的制备方法，其特点在于：将在600-1000℃煅烧温度下得到的高氮掺杂类石墨烯纳米粒子和乙炔黑及聚偏氟乙烯(PVDF)按质量比50％：15％：35％混合制成泥浆状物质，将所述泥浆状物质均匀涂在铜箔上，在80℃的烘箱中烘干后，将铜箔剪成直径为14mm的圆形电极片；以负载有高氮掺杂类石墨烯纳米粒子的电极片为正极，以直径为14mm的圆形金属锂片为负极，以由碳酸亚乙酯(EC)和碳酸二乙酯(DEC)按质量比1:1混合构成的、含浓度为1mol/L的六氟磷酸锂(LiPF₆)的混合溶液为电解液，以直径为16mm的圆形聚丙烯薄膜为隔膜，在氩气氛围保护的手套箱里组装成纽扣电池，作为测试电池。