[发明专利]一种氮磷元素共掺杂碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种氮磷元素共掺杂碳材料及其制备方法和应用,其解决了现有材料制备方法复杂、可重复性差的技术问题，其以聚多巴胺或细菌纤维素为碳源、以六氯环三磷腈单体作为氮、磷共掺杂源制得。本发明同时提供了其制备方法和应用。本发明可应用于电池材料的制备领域。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地说，涉及一种氮磷元素共掺杂碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着当今社会日益增长的能源需求以及不可再生资源的逐渐消耗，对于储能器件的发展要求与挑战日益严峻。二次电池如锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池等具有能量密度高、循环寿命长、环境友好等特点，超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电性能好等特点，两种储能器件均被寄予厚望广泛应用于新能源汽车、可穿戴柔性器件等领域。但是两种储能器件需要具有更佳出色的电化学稳定性能才可以满足与日俱增的实际应用要求。对基体材料进行杂原子掺杂，即在材料本身结构中引入杂原子(如N、P、S、B、F等)已经被证明是提高材料化学和电子性能的有效方法。与原本材料相比，杂原子掺杂后的材料具有更好的电化学性能。

在众多可掺杂的杂原子中，氮掺杂通过改变材料的微结构、化学反应性、参与可逆的法拉第过程，能够有效提高被掺杂材料的电化学容量。磷原子由于和氮原子具有相同的价电子数，因此具有相似的化学性能。此外，磷原子比氮原子具有更高的给电子能力，这令磷原子对于材料掺杂源来说具有更高的可选择性。磷掺杂的材料具有高稳定的电化学性能表现。而氮、磷共掺杂相比氮、磷单掺杂，通过两种原子之间的协同作用，则会大大提高材料的能量存储性能。

但是，当前的氮磷元素掺杂工艺较为传统，且掺杂过程中对于该两种元素不能实现一步法、可控、共同掺杂，往往存在效率低、可重复性差、对材料结构破坏性大等问题。因此，寻找合适的氮磷掺杂源、被掺杂基体以及可控的掺杂工艺是实现氮磷元素有效掺杂、提高材料电化学性能的关键。

发明内容

本发明就是为了解决现有材料制备方法复杂、可重复性差的技术问题，提供一种掺杂效果明显、可重复性好的氮磷元素共掺杂碳材料及其制备方法和应用。

为此，本发明提供一种氮磷元素共掺杂材料，其其以聚多巴胺或细菌纤维素为碳源、以六氯环三磷腈单体作为氮、磷共掺杂源制得。

本发明同时提供一种氮磷元素共掺杂材料的制备方法，其将六氯环三磷腈单体作为氮、磷共掺杂源，通过化学反应分别接枝到反应基体上，包括如下步骤：(1)制备反应基体：以聚多巴胺或细菌纤维素为碳源，制备反应基体；(2)采用化学反应制备氮、磷元素共掺杂材料：将所述步骤(1)制得的反应基体分别分散于有机溶剂中，加入六氯环三磷腈单体，加入缚酸剂，反应基体的质量浓度为3～9mg/mL，六氯环三磷腈单体的质量浓度为5～30mg/mL，缚酸剂的质量浓度为0.03～0.07mg/mL，在惰性氛围环境、20～60℃下搅拌10～25小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即分别得到所制备的氮磷共掺杂材料，其可进一步通过热处理变为碳材料用于超级电容器、锂离子电池、锂硫电池或钠离子电池电极材料；(3)热处理：将步骤(2)得到的氮、磷元素共掺杂材料在惰性氛围、600～1000℃下进行碳化，升温速度为1～10℃/min，降温速度为1～10℃/min，保温时间为2～5小时，即得到以聚多巴胺为碳源的氮、磷元素共掺杂碳中间体材料和以细菌纤维素为碳源的氮、磷共掺杂碳材料；(4)刻蚀：将所述步骤(3)得到的以聚多巴胺为碳源的氮、磷元素共掺杂碳中间体材料分散在氢氟酸中，实心碳球的质量浓度为6～15mg/mL，氢氟酸的质量浓度分数为5～15wt％，在空气、室温下搅拌2～10小时，经离心，洗涤，预冻，在冷冻干燥机中干燥15～30小时，即得到以聚多巴胺为碳源的氮、磷共掺杂碳材料。