[发明专利]一种自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开一种自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用，所述方法包括步骤：配制含三价钒源、有机配体和聚丙烯腈的溶液；采用静电纺丝技术将所述溶液制成复合纳米纤维；将所述复合纳米纤维进行预氧化处理，得到自支撑多级结构复合纳米纤维；将所述自支撑多级结构复合纳米纤维进行热处理，得到自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料。本发明该复合材料具有在碳纤维外部生长的特殊微观结构，这有利于电极材料与电解质的充分接触。电极材料活性物质的微观分散性也得到了提高，对整体电化学储能器件的性能提升具有较大帮助。碳纤维外部生长的微观结构亦包含有碳骨架，可以避免电化学反应过程中的结构塌陷或破坏。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

随着人类社会对能源需求的高速增长，以化石燃料为代表的传统能源日渐枯竭，开发以太阳能、风能为代表的新能源迫在眉睫。然而，这些新能源在时间和空间的分布上存在不稳定和不连续性。以金属离子电池为代表的能源转化和储存器件可以弥补这一缺陷，扩大新能源的应用场景，推动新能源产业的发展。电极材料是能源储存与转化器件的核心所在，氮化钒作为一种有前途的电极材料，可以在多种金属离子电池、锂硫电池和超级电容器中使用。但氮化钒存在导电性较差的问题，可以通过将其与碳材料复合提高其电化学性能。一种简单便捷的方法是采用静电纺丝技术制备包覆氮化钒的碳纳米纤维。已报到的一种制备方法是：采用静电纺丝技术制备PVP/C₆H₈O₇/NH₄VO₃复合纳米带，再将所制备的PVP/C₆H₈O₇/NH₄VO₃复合纳米带进行热处理得到V₂O₅多孔纳米带。最后将所制备的V₂O₅多孔纳米带置于高纯石墨坩埚中，用流动的NH₃气进行氮化，得到VN多孔纳米带。这种制备方法的缺陷是必须使用NH₃气，不仅增加了成本，还存在一定的安全隐患，同时也不符合绿色化学的理念。

已报道的另一种制备方法是采用四价的钒源乙酰丙酮氧钒，聚丙烯腈作为高分子基底，直接利用聚丙烯腈中的N进行氮化，省去了后续的氨化步骤。如An等人[J.Mater.Chem.A，2017，5，19714]采用乙酰丙酮氧钒和聚丙烯腈制备氮化钒基碳纳米纤维并用于超级电容器器件。采用四价的乙酰丙酮氧钒为钒源制备的纳米纤维表面存在皱褶，纳米纤维外部不存在其他微观结构，制得的氮化钒基碳纳米纤维作为电极材料时的电化学性能较低。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料及其制备方法与应用，旨在解决现有的氮化钒基碳纳米纤维作为电极材料时的电化学性能较低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料的制备方法，其中，包括步骤：

配制含三价钒源、有机配体和聚丙烯腈的溶液；

采用静电纺丝技术将所述含三价钒源、有机配体和聚丙烯腈的溶液制成复合纳米纤维；

将所述复合纳米纤维进行预氧化处理，得到自支撑多级结构复合纳米纤维；

将所述自支撑多级结构复合纳米纤维进行热处理，得到自支撑多级结构氮化钒基碳纳米纤维复合材料。

可选地，所述三价钒源选自氟化钒、氯化钒、溴化钒和碘化钒中的一种或几种。

可选地，所述有机配体选自1,3,5-苯三甲酸、1,4-环己烷二甲酸、1,4-苯二甲酸、1,4-萘二甲酸和5-羟基间苯二甲酸中的一种或几种。