[发明专利]一种碳烧SBA-15介孔分子筛及其制备方法与其在水系电池中的应用

说明书

本发明公开了一种碳烧SBA‑15介孔分子筛及其制备方法与其在水系电池中的应用，其是将浓硫酸和蔗糖溶于水中，并加入SBA‑15混合均匀，经反复抽滤后进行干燥，再经数次碳化处理及煅烧、氢氟酸浸泡而最终得到所述碳烧SBA‑15介孔分子筛。所得碳烧SBA‑15介孔分子筛结合了碳材料的稳定性和SBA‑15孔道结构的框架，使得水系可脱嵌、吸附离子稳定传输，有效改善体积效应，提高循环性能，适用于作为水系锂、钠、镁离子电池的负极材料，且其原材料丰富，成本低廉，是理想的水系电池负极材料。

技术领域

本发明属于电极材料制备领域，其涉及一种水系电池负极材料的合成方法，具体地说是一种可实现水系锂、钠、镁离子脱嵌或吸脱附的水系电池负极材料碳烧SBA-15介孔分子筛的制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染的不断恶化，加快可再生能源的利用和智能电网的建设是人类可持续发展的重要方向。能量存储一直受到人们的广泛关注，其中，电池作为电化学储能技术之一，与我们的生活息息相关且密不可分，例如：手机电池、笔记本电脑电池、电动车特斯拉电池等等。根据电池的发展历程，铅酸电池是最早商业化的电池，其能量密度低、循环寿命短；锂离子电池以其高能量密度被广泛应用于各个行业之中，但其有机电解液易燃易爆，污染环境，且锂资源价格昂贵，资源有限，并不是人类可持续发展的首选。水系电池就是以无机盐水溶液为电解液，配合可脱嵌的正负极材料实现储能。目前，可适用的水系电池正极材料有尖晶石型LiMn₂O₄、层状的LiCoO₂、橄榄石型LiFePO₄和LiMnPO₄、普鲁士蓝FeHCF、CuHCF等等；然而对水系电池可适用的负极材料的研究却十分有限，这是由于电压较低时电极材料在水系电解液中极易分解且常伴有副反应的发生，仅有的几种负极材料受制于循环寿命短的缺点，很难实现全电池的应用。

本发明研制出的碳烧SBA-15介孔分子筛作为水系电池负极材料可实现锂离子的脱嵌、钠离子和镁离子的吸附-脱附，且组装成水系全电池或水系电容电池可表现出优异的循环性能，是理想的水系电池负极材料。与此同时，本发明选择成本低廉的原材料，绿色环保的水系电池体系为研究对象，符合当代对“第二代储能电池”的发展需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原材料丰富，成本低廉，能够广泛用作水系电池负极材料的碳烧SBA-15介孔分子筛及其合成方法，其是以SBA-15为前驱体进行填碳煅烧，得到的一种具有SBA-15骨架介孔尺寸、孔道结构的碳材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种碳烧SBA-15介孔分子筛，其制备方法包括以下步骤：

1）将浓硫酸、蔗糖溶于水中，加入SBA-15介孔分子筛充分混合，室温搅拌30min，得混合液；

2）将所得混合液进行抽滤，并用滤液洗涤，反复抽滤5~10次，所得滤饼于70℃恒温干燥箱中干燥10h；

3）将干燥后所得固体粉末放入恒温干燥箱中进行初步碳化，然后进行研磨；

4）用初步碳化并经研磨后的黑色粉末替代步骤1）中的SBA-15介孔分子筛，重复步骤1）~3）2次；

5）将最终所得黑色粉末于氮气保护下进行煅烧；

6）将煅烧后的黑色粉末于氢氟酸溶液中浸泡，以除去模板，再用水洗涤至中性，即得所述碳烧SBA-15介孔分子筛。

步骤1）所得混合液中浓硫酸含量为0.06~0.11 g/L，蔗糖含量为80g/L，SBA-15介孔分子筛含量为53~100 g/L。优选地，浓硫酸、蔗糖和SBA-15介孔分子筛的含量分别为0.0615g/L、80g/L、53.3g/L，或0.082g/L、80g/L、66.7g/L，或0.1025g/L、80g/L、100g/L。