[发明专利]制备内嵌金属/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球的方法

说明书

本发明提供一种制备内嵌金属/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球的方法，包括下列步骤：制备前驱体：选用醋酸锑、柠檬酸铵和氯化钠为原料混合溶解在去离子水中，将所得的均一混合溶液利用喷雾干燥机喷雾成球，从而制得前驱体；制备内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料：将步骤1制得的前驱体放置在管式炉中游，硫脲放置在上游，一锅多步得到内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料。所制备的内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料用作钠离子电池负极。

技术领域

本发明涉及一种使用喷雾干燥法制备内嵌金属/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球的方法，并能够在钠离子电池负极测试中展现出超高性能，属于纳米复合材料制备技术和电池应用技术领域。

背景技术

随着人们对可再生能源利用的高度关注，锂/钠离子电池的开发应用迫在眉睫。目前，锂/钠离子电池正极材料的制备工艺日益完善，性能也基本满足了工业化需求。然而负极材料的开发应用多停留在基础研究阶段，由于制备工艺(水热、溶剂热和静电纺丝等)产量低，过程复杂且昂贵导致难以工业化生产。另一个关键问题在于诸多制备方案得到的产物作为锂/钠离子电池负极时很难拥有大电流下稳定的循环性能，这极大限制了工业化应用的可能。因此大规模高效制备在锂/钠离子电池负极中具有大倍率长循环性能的电极材料依然是一个难题。

氮/硫共掺杂的三维多孔碳微球具有大的比表面积、高的机械强度、优良的导电性，因而其可以应用在锂、钠和钾等电池负极领域中，丰富的孔结构和掺杂的氮和硫原子使得该多孔碳微球可被作为负载基体内嵌其它的金属基纳米材料。蛋黄壳结构已被证实在电池充放电过程中能够有效缓解金属体积膨胀，增加循环稳定性。蛋黄壳结构结合氮/硫共掺杂三维多孔碳微球复合材料可作为高性能钠离子电池及锂离子电池正负极材料，甚至有望在超电容、锂-硫电池、锂金属电池以及电催化析氢等领域展现出优异性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种可工业化制备内嵌金属/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球的方法；该方法过程简单、高效、成本低廉、重复性好，得到的内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料形貌均匀一致、产量大，同时应用在钠离子电池负极中时，即使在大电流下亦能够展现出超长循环寿命。技术方案如下：

一种制备内嵌金属/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球的方法，包括下列步骤：

1)制备前驱体

选用醋酸锑、柠檬酸铵和氯化钠为原料混合溶解在去离子水中，将所得的均一混合溶液利用喷雾干燥机喷雾成球，从而制得前驱体。

2)制备内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料

将步骤1)制得的前驱体放置在管式炉中游，硫脲放置在上游，一锅多步的第1步：高纯氩气气氛下以1℃/min升温至280℃，保温2h，此刻得到了含有Sb₂S₃的中间产物，记为NaCl@N,S-carbon/Sb₂S₃；第2步：高纯氩气气氛下升温至450℃，再切换成氢氩混合气保温2h，当前得到的中间产物转变成Sb，记作NaCl@N,S-carbon/Sb；第3步：高纯氩气气氛下升温至600℃，用氩气作为载气保温2h后冷却至室温，得到煅烧产物，记为NaCl@Sb@NS-3DPCMSs-120，在保温过程中利用Sb熔点低的特性在500℃以上剧烈升华的物理性质构筑蛋黄壳结构；再将NaCl@Sb@NS-3DPCMSs-120除去NaCl，真空干燥得到Sb@NS-3DPCMSs-120，即得到内嵌锑/碳蛋黄壳结构的氮/硫共掺杂碳纳米片围成的三维多孔微球复合材料。

1)中，按照Sb³⁺:C和C:Na⁺的物质量之比为1:(12-18)和(25-30):100的关系选用原料。