一種氮摻雜碳微納米材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種氮摻雜碳微納米材料及其制備方法和應用，利用商業化三聚氰胺納米海綿為原料，一步熱解法制備出氮摻雜碳微納米材料。該方法原料廉價，操作簡單，可重復性強，對環境無污染，適合工業化生產。相對于現有的其它氮摻雜碳材料，采用本發明專利技術制備的氮摻雜碳微納米材料，具有較大的比表面積，特殊的納米孔隙結構，良好的電化學活性和循環性能，非常適合作為鋰離子電池及鈉離子電池的負極材料。

Nitrogen doped carbon micro nano material and preparation method and application thereof

The invention discloses a nitrogen doped carbon micro nano material, a preparation method and an application thereof, and uses the commercial melamine nano sponge as the raw material to prepare the nitrogen doped carbon micro nano material by one-step pyrolysis. The method has the advantages of cheap raw material, simple operation, high repeatability, no pollution to the environment, and suitability for industrial production. Compared with other existing nitrogen doped carbon materials, the nitrogen doped carbon prepared by the invention of micro nano materials with high surface area, nano pore structure, good electrochemical activity and cycle performance, very suitable as anode materials for lithium ion batteries and sodium ion battery.

【技術實現步驟摘要】
一種氮摻雜碳微納米材料及其制備方法和應用
本專利技術屬于能源材料和碳材料的交叉領域，涉及一種氮摻雜碳微納米材料及其制備方法和應用。
技術介紹
隨著電子設備對人們的吸引力越來越大，目前的商業化鋰電池已經難以滿足人們對高容量鋰離子電池負極材料的需求(商業化石墨理論比容量僅為372mAh·g-1)。與商業化石墨石墨相比，無定形碳的較大的層間距和各向同性的結構特征，使得離子可以自由的在無定型碳層間自由傳輸。此外，石墨顆粒表層的無定形碳可以引導鋰離子快速進入石墨的層間，有利于改善電池的倍率性能。無定形碳可以通過多種方法進行改性來改善其性能。常用的方法通過摻雜氮或者硼元素來改變半導體材料的電子性質。與純碳材料相比，氮摻雜碳材料因其中含有的原子能夠提供電子，表現出金屬性，提高材料本身的機械性能，改善了碳材料的電子傳輸性能，同時也降低了電阻系數，從而使氮摻雜碳材料儲能器件、場發射器件方面顯示出廣闊的應用前景。從另一反面，原子的摻入為碳材料表面引入活性位點，使碳材料表現出良好的親水性，作為功能型材料，氮摻雜碳材料更顯示出強大的吸附優勢，在催化劑負載、藥物傳遞方面有潛在應用。常見的氮摻雜方式主要有，高溫惰性氣氛下，將糖類化合物、高聚物、含氮化合物和有機溶劑鍛燒使其發生碳化反應。或者石墨烯、活性炭、生物質碳材料等碳材料在氮氣或者氨氣下二次高溫熱解。亦有研究者直接以含氮原子的碳化物做為前驅體，一步熱解制的氮摻雜碳材料。相較而言，一步高溫熱解含氮原子的碳化物工藝簡單，可操作性強，具有廣闊的工業化應用前景。但一般含氮原子的碳化物價格都比較貴，針對這個問題本專利技術使用常用的清潔用品三聚氰胺納米海綿作為原料，一步熱解得到了氮摻雜碳微納米材料，并且該材料在儲能領域具有較好的電化學性能。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種氮摻雜碳微納米材料及其制備方法和應用。為達到上述目的，本專利技術采用以下技術方案予以實現：一種氮摻雜碳微納米材料的制備方法，包括以下步驟：1)將三聚氰胺納米海綿切成立方塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、并干燥；2)將干燥后的三聚氰胺納米海綿置于管式爐中，在氬氣氣氛下煅燒，然后隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌氮摻雜碳微納米材料3～5次，然后干燥過夜，研磨。本專利技術進一步的改進在于：步驟1)中，三聚氰胺納米海綿立方塊的尺寸為0.5～2cm。步驟2)中，煅燒溫度為500～900℃，煅燒時間為0.5～2小時，升溫速率為2～10℃/min。一種氮摻雜碳微納米材料，所制備的產物尺寸為微納米級。氮摻雜碳微納米材料作為鋰離子電池負極材料的應用。鋰離子電池負極的可逆比容量大于等于530mAh/g。鋰離子電池負極材料的充放電循環次數大于等于140次。氮摻雜碳微納米材料作為鈉離子電池負極材料的應用。鈉離子電池負極材料的可逆比容量大于等于170mAh/g。鈉離子電池負極材料的充放電循環次數大于等于300次。與現有技術相比，本專利技術具有以下有益效果：本專利技術利用常用的清潔用品三聚氰胺納米海綿，通過一步熱解法制備出氮摻雜碳微納米材料。相對于現有其它的氮摻雜碳材料，本專利技術使用的原料價格低廉，制備工藝簡單，成本較低，可重復性強，對環境無污染。利用本方法制備的氮摻雜碳微納米材料，具有較大的比表面積，特殊的納米孔隙結構，良好的電化學活性和循環性能，非常適合作為鋰離子電池及鈉離子電池的負極材料。【附圖說明】圖1為氮摻雜碳微納米材料掃描電鏡圖；圖2為氮摻雜碳微納米材料的鋰電恒電流充放電圖；圖3為氮摻雜碳微納米材料的鈉電恒電流充放電圖。【具體實施方式】下面結合附圖對本專利技術做進一步詳細描述：參見圖1-3，本專利技術氮摻雜碳微納米材料的制備方法，包括以下步驟：1)將三聚氰胺納米海綿切成尺寸為0.5～2cm立方塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、并干燥；2)將0.1～0.5g干燥后的三聚氰胺納米海綿置于管式爐中，在氬氣氣氛下煅燒，煅燒溫度為500～900℃，煅燒時間為0.5～2小時，升溫速率為2～10℃/min；然后隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌氮摻雜碳微納米材料3～5次，然后干燥過夜，研磨。本專利技術制備的氮摻雜碳微納米材料，尺寸為微納米級。能夠作為制備鋰/鈉離子電池負極的材料。鋰離子電池負極的可逆比容量大于等于530mAh/g，充放電循環次數大于等于140次。鈉離子電池負極材料的可逆比容量大于等于170mAh/g，充放電循環次數大于等于300次。實施例1：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成0.5cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.1g置于管式爐中，在氬氣氣氛下500℃煅燒0.5h，升溫速率為2℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。實施例2：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成1cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.2g置于管式爐中，在氬氣氣氛下600℃煅燒1h，升溫速率為5℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。實施例3：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成1.5cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.3g置于管式爐中，在氬氣氣氛下800℃煅燒0.5h，升溫速率為5℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。實施例4：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成2cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.2g置于管式爐中，在氬氣氣氛下600℃煅燒1h，升溫速率為6℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。實施例5：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成1.5cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.3g置于管式爐中，在氬氣氣氛下800℃煅燒1h，升溫速率為5℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。實施例6：1)將商業化三聚氰胺納米海綿切成0.5cm的立方小塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、干燥過夜；2)將步驟1)中干燥后的材料0.5g置于管式爐中，在氬氣氣氛下900℃煅燒2h，升溫速率為10℃/min。隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌步驟2中的煅燒產物，干燥過夜。圖1為本專利技術制備的氮摻雜碳微納米材料掃描電鏡圖；圖2是氮摻雜碳微納米材料在0.1A/g的電流密度下的鋰電恒電流充放電圖。經過140次循環，其可逆比容量先降后升穩定在534mAh/g左右，說明所制備得氮摻雜碳微納米材料在鋰離子電池應用上具有良好的循環穩定性。圖3是氮摻雜碳微納米材料的鈉電恒電流充放電圖。在0.1A/g的電流密度下經過300次循環，其可逆比容量仍穩定在170mAh/g左右，說明所制備的氮摻雜碳微納米材料在鈉離子電池應用上具有較好的電化學活性。以上內容僅為說明本專利技術的技術思想，不能以此限定本專利技術的保護范圍，凡是按照本專利技術提本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氮摻雜碳微納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將三聚氰胺納米海綿切成立方塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、并干燥；2)將干燥后的三聚氰胺納米海綿置于管式爐中，在氬氣氣氛下煅燒，然后隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌氮摻雜碳微納米材料3～5次，然后干燥過夜，研磨。

【技術特征摘要】
1.一種氮摻雜碳微納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：1)將三聚氰胺納米海綿切成立方塊，用無水乙醇和蒸餾水清洗干凈、并干燥；2)將干燥后的三聚氰胺納米海綿置于管式爐中，在氬氣氣氛下煅燒，然后隨爐冷卻至室溫，得到氮摻雜碳微納米材料；3)用蒸餾水洗滌氮摻雜碳微納米材料3～5次，然后干燥過夜，研磨。2.根據權利要求1所述的氮摻雜碳微納米材料的制備方法，其特征在于，步驟1)中，三聚氰胺納米海綿立方塊的尺寸為0.5～2cm。3.根據權利要求1所述的氮摻雜碳微納米材料的制備方法，其特征在于，其特征在于，步驟2)中，煅燒溫度為500～900℃，煅燒時間為0.5～2小時，升溫速率為2～10℃/mi...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張利鋒，賀文杰，劉毅，神克超，郭守武，
申請(專利權)人：陜西科技大學，
類型：發明
國別省市：陜西,61