[发明专利]一种氮掺杂多孔碳@氮化铌或碳化铌核壳结构的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳@氮化铌核壳结构的制备方法，包括以下步骤：将ZIF‑8粉末分散于乙醇中形成悬浮液A；将水合草酸铌溶于去离子水中形成溶液C；将溶液C缓慢加入到悬浮液A中，置于水浴锅中搅拌后，将产物离心分离，乙醇洗涤后，置于烘箱中烘干得ZIF‑8@Nb核壳结构；ZIF‑8@Nb核壳结构粉末经氩气保护退火得产物。该产物，一方面实现了金属离子和特定的MOF材料形成核壳复合结构，再通过高温煅烧处理得到多孔碳核壳复合结构，充分发挥了MOF材料大比表面积、高孔隙率和可修饰性的结构特点。另一方面，由于氮化铌的负载，发挥了过渡族金属氮化物/碳化物高导电性和高理论比容量的优点，充分发挥二者的协同作用，大大提高了材料锂离子存储性能。

技术领域

本发明涉及微纳米复合材料合成技术领域，具体涉及一种以沸石咪唑脂骨架（ZIFs）为前驱体，采用阳离子交换法，结合氩气退火处理获得氮掺杂多孔碳@氮化铌或碳化铌核壳结构的制备方法并将其应用于高性能锂离子电池的负极材料。

背景技术

随着当今科技的发展和生活水平的提高，人们对于小型可移动电能存储装置的需求迅速增加。锂离子电池具有能量密度高，自放电率低，工作电压高，环境友好等优点，受到极大关注。开发新型锂离子电池负极材料对于提升锂离子电池性能有巨大意义。

金属有机骨架（MOFs）作为一类新型多孔晶体材料，由有机配体和金属离子配位而成，MOFs材料具备高孔隙率、大比表面积、种类多、功能性强、晶体密度小、骨架大小和孔尺寸可调性强，引发广泛关注。沸石咪唑脂骨架（ZIFs）作为MOF的一个分支，对其进行高温煅烧处理后，能够获得具有氮掺杂的高比表面积的多孔碳材料，用作锂离子电池负极材料，可以有效缓解锂离子穿插过程中的体积膨胀，杂质原子的掺杂带来了大量的晶体缺陷，增加了更多的活性位点。而过渡金属氮化物、碳化物是近年来新发展的一类高导电性和高比容量的电极材料，相比过渡金属氧化物，氮化物和碳化物可表现出更为优异的倍率性能和快速充放电性能。相比碳电极材料，过渡金属氮化物具有更高的质量容量和振实密度，表现出更大的体积能量密度。因此，本发明以ZIF-8和ZIF-67为模板，使其与Nb金属离子复合，通过简单的阳离子交换法，辅以高温退火处理以及酸洗策略，制备了氮掺杂多孔氮@氮化铌、氮掺杂多孔碳@碳化铌核壳结构，充分发挥二者的协同作用，将其应用于锂离子电池系统，展现了优异的电化学性能。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种氮掺杂多孔碳@氮化铌或碳化铌核壳结构的制备方法及其应用，旨在提高其用于锂离子电池负极电极材料的电化学性能。材料制备方法简单，成本低，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氮掺杂多孔碳@氮化铌核壳结构的制备方法，包括以下步骤：

（1）将ZIF-8粉末分散于乙醇中，形成浓度均匀的悬浮液A；

（2）将水合草酸铌溶于去离子水中，形成溶液C；

（3）将溶液C缓慢加入到悬浮液A中，置于水浴锅中搅拌后，将产物离心分离，用乙醇洗涤后，置于烘箱中烘干，得到ZIF-8@Nb核壳结构；

（4）ZIF-8@Nb核壳结构粉末经过氩气保护退火，得到氮掺杂多孔碳@氮化铌核壳复合结构。

优选地，所述的悬浮液A的浓度为2.67g L^-1，所述的溶液C的浓度为2.15g L^-1，所述的悬浮液A与溶液C反应体积比为3:1。

优选地，步骤（3）中水浴锅中的温度为24-26℃，搅拌时间为4-6min；乙醇洗涤的次数为2-4次；烘箱中的烘干温度为75-85℃。

优选地，步骤（4）中退火温度为750-850℃，保温时间为2-3h。

进一步地，所制备的氮掺杂多孔碳@氮化铌核壳结构能够用于高性能锂离子电池的负极材料。