[发明专利]一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于掺杂碳材料的制备领域，特别涉及一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法。

背景技术

能源存储/转换新材料的开发已逐渐成为了全世界科学家关注的研究热点。锂离子电池是一种利用锂离子在正极和负极之间迁移存储电能的二次电池，其能在很大程度上降低运输过程中的电能消耗，从而实现长期储存电能。从锂离子电池的机理出发，其在充电时Li⁺从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，使负极处于富锂的状态，而放电过程则恰恰相反。目前，常采用的锂离子电池负极材料为碳基材料及其复合材料，其中市售活性炭是最常用的一种碳材料。然而，随着人们对锂离子电池储能性能要求的不断提升，市售活性炭已经不能满足人们的需求，所以开发下一代高性能碳材料成为了进一步提升锂离子电池储能性能的关键。由于锂离子电池的储能性能在很大程度上取决于其在碳材料表面的吸附以及进一步的脱嵌过程，因此提升碳材料电极的比表面积，为锂离子的高效吸附与脱嵌过程提供更多的活性位点有利于提升锂离子电池的储能性能。小麦是一种主要由淀粉构成的常见生物基材料，由其热裂解得到的碳材料成分相对单一，是制作高稳定性锂离子电池的理想电极材料。然而，小麦的硬质结构导致其结构较为致密，孔隙率不高，这也就大大抑制了对材料本体的后续修饰及其储锂性能。为了进一步提升碳材料的储锂性能，在碳原子骨架上掺杂多种非金属杂原子是非常有效的途径之一。而目前对于非金属杂原子掺杂的研究主要集中在单一非金属杂原子的掺杂，很少涉及两种甚至三种以上杂原子掺杂的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，该方法得到的生物基氮硫共掺杂碳纳米片是一种具有良好商业化前景的高性能储能材料，可被用于超级电容器、锂离子电池等领域；制备方法中所用的原料为生物基材料，绿色环保、合成简便、稳定性好。

本发明中的锂离子电池用生物基氮硫共掺杂碳纳米片是以小麦为碳源，以硫脲为氮源和硫源，经过高温、高压等多步处理后得到。首先利用中国老式爆米花机的高温高压环境对小麦进行膨胀处理，而后将该小麦气凝胶在管式炉中进行高温碳化得到小麦基碳气凝胶，其微观结构中不仅具有更多的三维孔洞结构，而且还显示了更大的碳原子层间距，为后续高含量杂原子的掺杂提供了保证。由上述制备得到的生物基氮硫共掺杂碳纳米片具有更多的锂离子插层位点，大大提升了锂离子电池的性能。本发明的锂离子电池用生物基氮硫共掺杂碳纳米片所用的材料为生物基材料，绿色环保、稳定性好、性能优异，是一种极具商业价值的高性能碳基储能材料，不仅可被应用于锂离子电池，也可应用于超级电容器等领域。

本发明通过硫脲分子能一步将硫原子和氮原子同时掺杂入碳原子骨架中，相比单一原子掺杂技术不仅增加了掺杂原子的种类，而且步骤简便，十分具有推广意义。

本发明的一种生物基氮硫共掺杂碳纳米片的制备方法，包括：

(1)将经过干燥的小麦进行高温高压处理，得到小麦气凝胶WA；

(2)将步骤(1)中得到的WA在惰性气体条件下，400～500℃裂解0.5～2h，得到小麦基碳气凝胶WCA；

(3)将步骤(2)中的WCA和硫脲研磨共混，得到共混物；将共混物在惰性气体条件下，800～1000℃反应2～4h(管式炉中)，得到生物基氮硫共掺杂碳纳米片N,S-WCNs。

所述步骤(1)中干燥的条件为：将小麦在阳光下暴晒三天，具体为：将市售的小麦在强烈阳光下暴晒三天后得到的具有坚硬表皮且脱去绝大部分自由水的干小麦颗粒。

所述步骤(1)中高温高压处理的条件为：300～500℃，0.6～0.9MPa的条件下处理5～15min，优选10min。

所述高温高压处理的机器为中国老式爆米花机。

所述步骤(2)中裂解时的升温速率为3～5℃/min。

所述步骤(2)中WCA的孔洞直径为30～100μm。

所述步骤(3)中WCA和硫脲的质量比为1：1～1：8(优选1：4)。

所述步骤(3)中反应时的升温速率为3～5℃/min。

所述步骤(3)中生物基氮硫共掺杂碳纳米片作为锂离子电池电极材料应用于锂离子电池领域。