[发明专利]一种碳量子点改性PTCDA基炭材料的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了一种碳量子点改性PTCDA基炭材料及其制备方法和应用，属于复合材料技术领域。本发明将通过羟醛缩合反应制备得到的碳量子点与苝四甲酸二酐(PTCDA)充分交联聚合，进一步经高温碳化得到异质微晶结构炭材料。PTCDA碳化产物的石墨化程度较高，碳层间距较小，碳量子点的加入可抑制炭材料石墨化畴的形成和生长，提高碳化产物的结构无序度和层间距，有利于钠离子的嵌入/脱出。因此，本发明制备的碳量子点改性PTCDA异质结构炭基材料作为钠离子电池的负极材料时，不仅具有高的比容量，还表现出优异的循环和倍率性能。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种碳量子点改性炭基电极及其制备方法。

背景技术

随着现代工业的迅速发展,人类社会对能源方面的需求不断增加。然而，化石能源燃料日趋枯竭,并且对环境造成了恶劣的影响。因此，发展新型可再生能源已成为十分紧迫的问题。现有储能技术中，锂离子电池具有高能量密度以及良好的循环寿命，在便携式电子设备和电动汽车等领域得到了广泛应用。然而，地球上的锂储量有限并且开采成本较高,使其难以满足不断增长的电池市场需求。钠与锂位于同一主族，具有相似的物理化学性质，且钠元素储量丰富、成本低廉，因此钠离子电池被认为是在大规模储能领域具有良好发展前景的新型二次电池。

炭材料结构稳定、价格低廉、储量丰富、制备工艺简单，是最具有实用前景的钠离子电池负极材料。苝四甲酸二酐(PTCDA)是一种常用的软碳前驱体，含有丰富的酸酐官能团，其碳化产物的微晶结构较为规整，导电率较高。然而，规整的层间结构不利于钠离子的快速传输，导致PTCDA热解炭的电化学储钠性能较差。通过结构调控增加储钠活性位点、构筑离子快速传输通道，是提高PTCDA热解炭电化学性能的关键。

碳量子点具有高比表面积和丰富的表面官能团，受到人们的广泛关注(AdvMater.2015,27,7861)。碳量子点经碳化处理后可得到三维多孔且碳层间距较大的结构，有利于钠离子的嵌入和脱出。此外，碳量子点含有的丰富的-OH和-COOH等官能团，在高温碳化过程中能够与PTCDA中含有的大量酸酐发生交联反应，形成结构较为稳定的酯基-COOR，从而调控碳前驱体的热解行为，优化碳化产物的微晶结构。基于此，将碳量子点与PTCDA通过表面丰富的官能团进行交联，形成互穿的交织网络结构，可提高PTCDA分子链的热稳定性，碳量子点的存在还可以抑制碳微晶的形成和生长，提高微晶结构的无序度。因此，构筑的PTCDA/碳量子点异质碳微晶具有疏松的层间结构，有利于钠离子的存储和传输，电化学储钠性能得以显著改善。

发明内容

本发明提供了一种碳量子点改性PTCDA基炭材料的制备方法，以通过羟醛缩合反应制备得到的碳量子点对PTCDA进行改性，碳量子点含有丰富的-OH和-COOH官能团，而PTCDA含有大量的酸酐官能团，两者的混合物在高温碳化过程中发生交联反应，形成结构较为稳定的酯基，得到异质结构炭材料。与PTCDA热解炭相比，该异质结构具有较高的无序度和较大的石墨微晶层间距。通过调节碳量子点与PTCDA的质量比例和热处理温度及时间等可对异质结构的形貌进行调控，制备得到的电极不仅具有高的比容量和高的首次库伦效率，还表现出优异的循环和倍率性能。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种碳量子点改性PTCDA基炭材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将NaOH粉末加入到40wt％的乙醛溶液中，通过羟醛缩合反应得到碳量子点，将得到的碳量子点与PTCDA按照一定比例混合研磨；

(2)将步骤(1)得到的产物进行碳化，得到碳量子点改性炭基材料；所述碳化在惰性气氛的保护下进行。

优选地，所述步骤(1)中的碳量子点与炭基材料的质量比为1:1～1:10。

优选地，所述步骤(1)中的混合方式包括固相球磨混合和液相匀浆混合。

优选地，所述步骤(2)中的碳化温度为800～1400℃，碳化时间为2～10h。