[发明专利]一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料及其制备方法和应用，属于钾离子电池负极材料制备技术领域。该方法先将功能化后的活性炭，2,3‑吡啶二羧酸，CoCl₂·6H₂O，尿素和钼酸铵混合均匀，加热处理制得前驱体后，再在氩气环境下高温碳化，制备得到活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料，该方法绿色环保，且生产周期短，耗能低，原料易得，有利于规模化生产。经本发明制得的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料，纯度高，能够作为钾离子电池负极材料，其表现的循环稳定性好，放电比容量高，能够作为钾离子电池负极材料的广泛使用。

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料制备技术领域，涉及一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的及其制备及钾离子电池负极的方法和应用，具体涉及是一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料及其制备方法和其作为钾离子电池负极的应用。

背景技术

钾离子电池作为一种可持续的能量储存装置，由于地壳富含钾且成本低廉，被认为是锂离子电池最有希望的替代品。[Wu,X.；Chen,Y.；Xing,Z.；Lam,C.W.K.；Pang,S.-S.；Zhang,W.；Ju,Z.Adv.Energy Mater.2019,9,1900343.]钾(1.5wt％)的地壳沉积量是锂(0.0017wt％)的882.4倍。[Zheng,J.；Yang,Y.；Fan,X.；Ji,G.；Ji,X.；Wang,H.；Hou,S.；Zachariah,M.R.；Wang,C.Energ.Environ.Sci.2019,12,615.]同时，K⁺/K的氧化还原电位更接近Li⁺/Li的氧化还原电位(-2.93V vs E与-3.04V vs E比较，标准氢电极(E,SHE))，表明钾离子电池具有较宽的电压范围和较高的能量密度。[Kubota,K.；Dahbi,M.；Hosaka,T.；Kumakura,S.；Komaba,S.Chem.Rec.2018,18,459.]钾离子电池还具有K⁺vs Li⁺较弱的Lewis酸度的优势，使得溶剂化离子的斯托克半径较小，在电解质中具有较高的传输数和迁移率，这为设计大电流电池提供了机会。[Kubota,K.；Dahbi,M.；Hosaka,T.；Kumakura,S.；Komaba,S.Chem.Rec.2018,18,459.]然而，钾离子电池的主要挑战是K⁺的大小大于Li⁺因此，K⁺的插入/去插入会导致电极材料体积膨胀，导致容量低，循环稳定性差，速率性能差。

为了克服钾化和退钾的障碍，一种很好的替代方法是通过掺杂N、S、O和P来控制碳晶格间距的扩大，而且通常比未掺杂的碳表现出更高的循环可逆性。三维S和N共掺杂碳纳米纤维气凝胶电极在2A g^-1下具有高可逆容量168mA h g^-1。[Lv,C.；Xu,W.；Liu,H.；Zhang,L.；Chen,S.；Yang,X.；Xu,X.；Yang,D.Small 2019,15,1900816.]钾离子电池负极材料使用富S(12.9at％)和富N(9.9at％)的复合碳，在1A g^-1时达到234mA h g^-1的容量。[Tao,L.；Yang,Y.；Wang,H.；Zheng,Y.；Hao,H.；Song,W.；Shi,J.；Huang,M.；Mitlin,D.EnergyStorage Mater.2020,27,212.]具有协同效应的双掺杂碳具有更强的可逆性。

近年来，双掺杂碳具有良好的电化学性能，包括N、O掺杂硬碳、P、N掺杂碳和S、O掺杂多孔硬碳微球。金属和非金属共掺杂碳材料不仅可以增加晶格间距，而且比钾掺杂材料具有更高的容量。钼-碳复合材料具有较高的理论容量、良好的导电性、稳定的金属性质和热稳定性，已成功地用于增强Li和Na的存储。然而，原位碳化富氮酞菁合成Mo和N共掺杂碳纳米复合材料作为钾离子电池阳极的应用尚报道。

发明内容