[发明专利]一种硫掺杂碳微米管的制备方法及其硫掺杂碳微米管和应用

说明书

本发明公开了一种硫掺杂碳微米管的制备方法及其硫掺杂碳微米管和应用，该方法通过一步反应将棉花直接在H₂S/Ar气氛下碳化和硫化，得到硫掺杂碳微米管。本发明制备硫掺杂碳微米管的方法以棉花为原料，通过一步热解得到一种硫掺杂碳微米管材料。该方法工艺简单，使用的原料绿色环保，适合于批量生产，可重复性强，且成本低，硫掺杂和碳化可通过一步反应实现，并且通过高温下硫化氢气体掺杂使得硫掺杂更均匀，天然棉花也无需经过任何纯化处理即可使用。本发明制得的硫掺杂碳微米管表面产生了大量的纳米孔，且比表面积较大，并具有优异的电化学性能，可作为理想的钠离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于电极材料技术领域，具体涉及一种硫掺杂碳微米管的制备方法及其所制得的硫掺杂碳微米管和应用。

背景技术

在大规模储能领域，钠离子电池作为锂离子电池最具潜力的替代品之一受到越来越多的关注，这主要是因为其资源丰富和环境友好性等优点。然而，由于钠离子半径大于锂离子半径导致钠离子的扩散动力学更为迟钝。目前，已报道的一些钠离子电池宿主材料包括碳基材料、钛基材料、合金型材料，以及金属氧化物/硫化物材料等，这些材料都展现出较好的储钠性能，但它们的循环稳定性并不令人满意。

近年来，通过构筑多孔碳纳米结构在钠离子电池循环稳定性方面已取得了很大的进步。另外，氮、硼、硫和磷等杂原子掺杂作为提高碳基材料储钠性能的有效措施也受到了极大的关注。硫是一种高电化学活性元素，可以与钠可逆地反应。因此，向碳材料中引入硫可以增加额外的储钠位点，导致可逆容量的增加。

发明内容

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种硫掺杂碳微米管的制备方法，该方法绿色环保、工艺简单，通过一步热解就可以得到一种硫掺杂碳微米管材料。

本发明还提供一种硫掺杂碳微米管材料及其应用。

技术方案：为了实现上述目的，如本发明所述一种硫掺杂碳微米管的制备方法，包括如下步骤：通过一步反应将棉花直接在H₂S/Ar气氛下一步碳化和硫化，得到硫掺杂碳微米管。

作为优选，所述H₂S/Ar气氛中，H₂S气体的体积百分比为5％～10％。

其中，所述碳化和硫化是将棉花置于管式炉中，使管式炉以2～10℃/min的速率升温至600～800℃后保持2～3h。

作为优选，所述600～800℃高温下硫化氢气体掺杂使得硫掺杂更均匀。

其中，所述棉花为天然棉花无需经过任何纯化处理即可使用。

进一步地，所述棉花用量为1-2g。

本发明所述的硫掺杂碳微米管的制备方法所制备得到的硫掺杂碳微米管。

其中，所述硫掺杂碳微米管通过硫掺杂后，棉花衍生碳微米管表面产生了大量的纳米孔，且比表面积较大。

本发明所述的硫掺杂碳微米管的制备方法所制备得到的硫掺杂碳微米管作为钠离子电池负极材料的应用。

发明利用棉花作为前驱体，在H₂S/Ar或Ar气氛下，制备几种碳微米管材料，并研究它们储钠性能。通过实验发现硫掺杂碳微米管在作为钠离子电池负极材料时具有较高的可逆比容量，是一种高性能的钠离子电池负极材料。

本发明的制备方法以自然界广泛存在的棉花为原料，将棉花在H₂S/Ar气氛下硫化并碳化得到硫掺杂碳微米管和在Ar气氛下碳化得到碳微米管。采用X射线衍射仪(XRD)和红外光谱(FT-IR)测试所得硫掺杂碳微米管的成分；利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察所得硫掺杂碳微米管的尺寸、形貌和微结构等。结果表明，所述硫掺杂碳微米管表面粗糙且尺寸较大。