[发明专利]一种碳纳米复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于材料制备领域，提供了一种碳纳米复合材料及其制备方法，先将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，然后将溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使前驱物与反应液反应，得到的反应产物被纤维素微纤维吸取，然后将纤维素微纤维再浸泡于含氮溶液中，使纤维素微纤维中含有氮，经预氧化和碳化后，得到掺氮的碳纳米复合材料。获得的碳纳米复合材料中，纳米颗粒的尺寸较小，并且纳米颗粒处于碳材料的内部；浸入含氮溶液中进行的掺氮操作有利于获得较小颗粒金属氧化物颗粒且能位于碳纤维内部。本发明获得的碳纳米复合材料作为电极材料组装成锂电池，能够使锂电池的稳定性得到极大提高，在能源存储和转化的应用方面具有较好前景。

技术领域

本发明属于材料制备领域，具体涉及一种碳纳米复合材料及其制备方法。

背景技术

在锂离子电池电极材料或催化材料中，为了便于电子的传输一般将活性材料(如金属或金属氧化物)与碳材料进行复合。利用碳纳米材料如石墨烯或纳米碳管与金属纳米颗粒或金属氧化物进行复合，得到的复合物中的金属纳米颗粒或金属氧化物纳米材料一般出现在碳纳米材料的表面，因而影响这些材料的长期稳定性和活性。金属或金属氧化物进入碳纳米管内部的复合材料的性能更稳定，但金属或金属氧化物进入碳纳米管内部或对出现在石墨烯表面的金属纳米颗粒或金属氧化物进行包覆需要更复杂的处理工艺。

静电纺丝技术可以使金属颗粒以及氧化物颗粒包裹于碳纳米纤维中，但是静电纺丝装置较为复杂和昂贵，影响了材料的规模化以及造成材料成本提高。虽然纤维素直接在金属氧化物前驱物的溶液中进行溶胀再进行碳化能够获得金属或金属氧化物/碳复合物，但是经碳化后得到的金属氧化物或者金属颗粒尺寸较大(例如大于100纳米)，而且较大一部分金属或金属氧化物颗粒位于碳材料外部。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种碳纳米复合材料及其制备方法，制备得到的碳纳米复合材料中的纳米颗粒位于碳材料内部。

本发明提供了一种碳纳米复合材料的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，将纤维素微纤维泡在前驱物溶液中进行溶胀，得到溶胀纤维素微纤维；步骤2，将溶胀纤维素微纤维放入反应液中，使前驱物与反应液反应得到反应产物，然后将吸取反应产物的纤维素微纤维放入含氮溶液中进行浸泡，过滤清洗后得到含氮纤维素微纤维并将含氮纤维素微纤维干燥；步骤3，将含氮纤维素微纤维在空气中进行预氧化得到预氧化纤维素微纤维；步骤4，将预氧化纤维素微纤维在预定气氛中碳化得到碳纳米复合材料。

在本发明提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，预定气氛为惰性气氛，碳纳米复合材料为氧化物/掺氮碳复合纤维。

在本发明提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，预定气氛为还原性气氛，碳纳米复合材料为单质/掺氮碳复合纤维。

在本发明提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，还原性气氛为5％H₂与95％Ar组成的混合气体。

在本发明提供的碳纳米复合材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，前驱物为氯化物和/或金属硝酸盐。