[发明专利]利用煤腐殖酸提取残渣制备N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用煤腐殖酸提取残渣制备N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料的方法，本发明的方法以灰分含量较低的赤峰褐煤为原料，将褐煤粉碎成粉末，清洗干净，晒干；以KOH和尿素为复合提取剂，将褐煤原料分离出残渣和提取液；利用残渣中残留的KOH为活化剂，尿素为为氮源，通过化学活化法，实现KOH对提取残渣的孔道活化再塑，并同时以尿素为氮源对多孔碳进行氮掺杂改性，制备出组分和结构可控的N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料。

技术领域

本发明涉及N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料领域，特别涉及一种利用煤腐殖酸提取残渣制备N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料的方法。

背景技术

我国褐煤资源丰富，储量占煤碳总储量的55%以上；内蒙古自治区褐煤储量最多，占全国褐煤资源量的77%；其中，内蒙古赤峰褐煤中总腐殖酸含量为31.6%，游离腐殖酸含量为24.9%，灰分为14.53%，水分为27.8%；腐殖酸主要是由动植物遗骸，经过微生物分解、转化和一系列地球物理化学反应形成和积累起来的一类有机高分子聚合物，自身具有水溶性，广泛存在于水体、土壤、泥碳、褐煤、风化煤及页岩等含碳沉积岩中；腐殖酸结构中含有丰富的羧基、酚羟基、羰基、磺酸基和甲氧基等活性含氧官能团，对其酸性、离子交换性、胶体性能及络合性能有重要的影响；广泛应用于农、林、牧、石油、化工、建材、医药卫生、环保等各个领域；尤其是现在提倡生态农业建设、无公害农业生产、绿色食品、无污染环保等，更使“腐殖酸”备受推崇；褐煤中含有丰富的腐殖酸，是规模化利用腐殖酸的主要资源；与土壤腐殖酸相比，褐煤腐殖酸具有较高的碳含量，较低的氮含量，同时有较高的氢含量，表明化学活性及代换性能较好；国内外研究者利用碱溶酸析法、酸抽提剂法、微生物溶解法等提取了褐煤中的腐殖酸，腐殖酸提取率达到80%以上；提取腐殖酸后的残渣中，至少还有25%以上的有机质没有被充分利用；如果将这些有机质炭化活化制备成N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料，对实现褐煤的清洁、高效、高附加值利用具有重大意义；目前，现有的技术还没有关于这方面的研究和报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用煤腐殖酸提取残渣制备N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料的方法，本发明的方法以灰分含量较低的赤峰褐煤为原料，将褐煤粉碎成粉末，清洗干净，晒干；以KOH和尿素为复合提取剂，将褐煤原料分离出残渣和提取液；利用残渣中残留的KOH为活化剂，尿素为为氮源，通过化学活化法，实现KOH对提取残渣的孔道活化再塑，并同时以尿素为氮源对多孔碳进行氮掺杂改性，制备出组分和结构可控的N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料。

本发明采用的技术方案如下：一种利用煤腐殖酸提取残渣制备N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料的方法,包括以下步骤：

S1：制备褐煤原料：将褐煤粉碎成粉末，用蒸馏水清洗干净，晒干，制得干净的褐煤原料；

S2：KOH和尿素碱提：称取步骤S1处理得到的干净褐煤原料与尿素混合，褐煤原料与尿素的质量比为1:0.5～1:2；再将混合物与KOH溶液混合配置，混合物与KOH溶液的固液比(g:mL)为1:5～1:30；KOH溶液的质量分数为1%～3%；之后，将配置好的固液混合物在温度为70～100℃的水浴中保温70～100min；取出冷却后用磁力搅拌机搅拌反应，之后用离心机离心，分离出残渣和提取液；

S3：将步骤S2中得到的残渣，放入氮气作为保护气的管式炉中，在温度为410～720℃，炭化活化0.4～2.2h得到炭化活化产物；

S4：将步骤S3制得的炭化活化产物用盐酸溶液浸泡，抽滤，并用去离子水洗涤，在鼓风干燥箱中烘干，得到N掺杂多孔碳复合锂电池负极材料；盐酸溶液的浓度为0.2～2.5mol/L。

进一步，上述步骤S1中所用的褐煤为内蒙古赤峰地区的褐煤。

进一步，在一个优选的实施方式中，步骤S2中，褐煤原料与尿素的质量比为1:1；混合物与KOH溶液的固液比(g:mL)为1:20；KOH溶液的质量分数为2%；之后，将配置好的固液混合物在温度为90℃的水浴中保温90min；