[发明专利]一种剥离碳块及其制备和应用

说明书

技术领域

本发明属于先进碳材料领域，具体的说本发明涉及剥离碳材料及其制备方法。

背景介绍

由于较高的容量密度，硫作为锂电池的正极材料受到越来越多的重视。然而，硫正极的主要问题在于其充放电过程中的流失。通过物理的空间限域，或者表面化学作用抑制硫的流失问题已经成为目前限制锂流失的主要方案。由于碳良好的导电性，化学稳定性以及其和硫的良好相容性，被广泛的应用于硫的载体。进一步对碳表明进行修饰或者掺杂，更够增强硫和碳的相互作用，提高其抑制硫流失的作用。

为此我们制备了一种新的碳材料，这种碳材料具有开层碳结构。合成的碳材料具有较高的比表面积(>1600m²g^-1)和良好的导电性。开层的碳层可以作为碳的限域空间，提供载硫的物理空间。同时碳层表面富含氮和硫等掺杂元素。这些掺杂元素能够起到铆钉硫的作用。

发明内容

本发明涉及一种新型的多孔碳材料，该碳材料由剥离的碳层相互铰链而成，该碳材料掺杂有碳和硫等异质元素。本发明采用以下技术方案来实现：

一种剥离碳块，所述剥离碳块微观上由层叠的可剥离的片层碳材料相互交联而成，这些可剥离的碳层中的碳晶格中掺杂有氮原子和硫原子。

所述碳块为棱形块体结构，剥离碳块的块体尺寸为5-20μm。

所述剥离碳块为依次叠合排列的薄层石墨片层构成，这些石墨片层相互交联，构成块体结构；石墨片层上富含介孔和微孔。

所述多孔碳材料中氮原子的原子含量为0.1％-20％；硫原子的原子含量为0.1％-10％。

所述剥离碳块的孔隙率为0.5cc g^-1-3.5cc g^-1；所述介孔与微孔的数量比为10:1-1:10(或者孔容的比)。所述剥离碳块的制备方法，包括以下步骤，

(a)于水中加入铵盐、可溶性碳源和硫酸，搅拌，旋转蒸发干燥得沉淀物；

(b)于惰性气氛下对步骤(a)所得沉淀物进行高温处理得剥离碳材料。

步骤(a)中所述铵盐为三聚氰胺，腈胺或者尿素，所述可溶性碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、麦芽糖、乳糖、冰糖、壳聚糖、聚乙烯醇、聚乙二醇、可溶性淀粉中的一种或者两种以上的混合物；

步骤(a)中所述可溶性碳源碳原子物质的量与铵盐的物质的量的比为1：10-1：100；可溶性碳源碳原子物质的量与硫酸的物质的量的比为1：0.1-1：1步骤(a)所述旋转蒸发干燥过程中，转速为10rpm-300rpm；温度为30℃-100℃。

步骤(b)中所述惰性气氛为氮气、氩气、氦气中的任一一种或两种以上的混合气体；步骤(b)中所述高温处理条件为以1-20℃/min升温速度加热从室温至450-650℃保温1-24小时，然后以1-20℃/min升温速度加热至750-1100℃保温1-24小时。

所述多孔碳材料可作为锂硫电池用载硫材料。

本发明涉及一种多孔剥离碳材料及其制备方法。具体来讲，这种碳材料是由层状剥离的石墨片层构成，这些石墨片层之间相互铰链，构成了具有块状结构的 多孔碳材料。这种碳材料的大孔和介孔是由层状孔构成，同时在薄层石墨片层上存在大量的贯彻的微孔或者介孔。这种碳材料的晶格中掺杂了氮和硫，其中氮的掺杂浓度在0.1％-20％之间，磷的掺杂浓度在0.1％-10％之间。这种材料可以作为锂硫电池的正极担载体使用。

附图说明

图1.剥离碳材料制备过程示意图；

图2.剥离碳块形成过程；

图3.剥离碳块的结构形貌；

图4.剥离碳块的表面化学结构。

具体实施方式

实施例1：

一种剥离碳材料，其制备方法包括：

(a)于95℃去离子水中加入摩尔比为20：1：1的三聚氰胺、葡萄糖和硫酸，搅拌至完全溶解后得混合溶液；搅拌至混合均匀后旋转蒸发(转速为200rpm；温度为70℃)干燥固体粉末；

(b)于管式炉中，在氮气保护下，以5℃/min升温至600℃，保温2小时，然后再以5℃/min升温至900℃，保温2小时，冷却后取出得碳包裹金属结构的纳米材料。

图1为按照实施例1制备剥离碳的形成机制。制备这一材料的关键在于硫酸分别通过质子化作用和酯化反应同铵盐和碳源发生反应。在随后的加热过程中，铵盐可原位的聚合生产层状化合物g-C3N4，而糖则在酸的作用下脱氢碳化，在更高温度下，g-C3N4分解，生产了剥离碳材料。酸和g-C3N4的分解产物提供了碳的掺杂元素。