[发明专利]一种蜂窝状多级孔氮硫掺杂三维碳材料及其制备方法

说明书

本发明公布了一种蜂窝状多级孔氮硫掺杂三维碳材料，由以下步骤得到：将含有三聚硫氰酸的均匀溶液缓慢加入溶有三聚氰胺的氧化石墨烯水溶液中，分散均匀后，120℃~220℃水热反应；将水热反应产物置于300℃~500℃煅烧，得到蜂窝状多级孔氮硫掺杂三维碳材料。本发明以三聚氰胺与三聚硫氰酸超通过分子聚合形成碳骨架，在石墨烯的参与下，共同构筑成三维碳材料；同时三聚氰胺、三聚硫氰酸均作为氮、硫掺杂的氮源及硫源，对石墨烯碳材料进行氮、硫掺杂。该碳材料作为锂电和钠电负极具有良好的倍率性能，并且较大比表面积以及多级孔结构易于实现载硫。该制备方法操作简单，成本低廉，可实现大规模制备。

技术领域

本发明属于纳米碳材料的技术领域，具体涉及一种三维多孔氮硫掺杂碳纳米片及其制备方法。

背景技术

碳材料由于导电性高，来源丰富，成本低廉，电化学性能稳定而被广泛研究在锂电钠电负极领域。石墨烯作为一种单碳原子层厚度的二维晶体，自发现以来一直是备受研究者的青睐，因为理论和实验结果都表明，石墨烯具有最高的电子迁移率，导热性以及机械强度等物理化学性能。然而石墨烯缺少固有的带隙以及在实验中极易重堆叠的问题限制了其在各领域的实际应用。研究表明，异原子掺杂能够有效的打开石墨烯的带隙，使得物理化学和电学性能得到明显的改善。另外，将石墨烯结构三维化调控可解其易堆叠的问题。常见的掺杂石墨烯方法有CVD法、球磨法、等离子体法、电弧放电法、湿化学法以及热处理法。相比之下，湿化学法占据实验条件简单并其可实现三维凝胶碳网络的优点而被广泛应用。比如申请公布号为CN105565306A的专利中公开了一种高密度氮掺杂石墨烯及其制备方法。该方法报道了氧化石墨烯和氮源通过水热法制备了氮掺杂石墨烯并应用在锂电上，相比石墨烯大大提高了材料的比容量。二维掺杂石墨烯作为电极材料虽然能明显提高材料的比容量，但是在动力学上仍然存由有很大的提升空间。很多研究表明，三维结构具有贯通交联的结构，能有效缩短锂离子或者钠离子的扩散路径，提高电化学反应的动力学。

发明内容

在现有问题的基础上，本发明的目的在于提出一种蜂窝状多级孔氮硫掺杂三维碳材料的制备方法。该碳材料作为锂电和钠电负极具有良好的倍率性能，并且较大比表面积以及多级孔结构易于实现载硫，可作为锂硫电池正极材料的有力的候选材料。该制备方法操作简单，成本低廉，可实现大规模制备。该碳材料具有均匀掺杂的氮硫原子，在锂离子电池和钠离子电池方面是一种良好的负极材料，并且多级孔结构和比表面积大的特点能作为载硫材料应用在锂硫电池的正极材料。

具体技术方案如下：一种蜂窝状多级孔氮硫掺杂三维碳材料的制备方法，包括如下步骤：

（1）氧化石墨烯去离子水溶液超声分散，然后加入三聚氰胺，搅拌均匀，记为A液。所述氧化石墨烯水溶液的浓度为0.2~10 mg/ml。

（2）将三聚硫氰酸溶于有机溶剂，搅拌均匀，记为B液。所述有机溶剂为氮甲基吡咯烷酮、二甲基甲酰胺、乙二胺、乙醇或二甲基亚砜中的一种。所述三聚硫氰酸溶液的浓度为7~30 mg/ml, 所述氧化石墨烯、三聚氰胺和三聚硫氰酸的质量比为1:0.3~2.5:0.4~5.5 .所述去离子水和有机溶剂的体积比为1:1~5.

（3）在磁力搅拌的条件下，将B液缓慢滴入A液中 ，然后将所得溶液转移到100ml的聚四氟乙烯内衬中进行水热反应，水热反应时间为12h~48h，温度为120℃~220℃。

（4）然后将样品干燥后，在空气环境下煅烧。所述干燥方法为真空干燥，冷冻干燥或者烘箱烘干中的一种。所述煅烧过程在空气气氛下进行，采用升温速率为15~30℃/min，升温到300~500℃，保温5~30min。

采用上述工艺方法制备的本发明具有如下有益的效果：

1. 采用无模板法，同时实现三维结构构筑、氮硫原子掺杂以及制造多级孔结构。可通过工艺调控三维结构、掺杂量以及掺杂状态、多级孔三者的协同关系。有益于应用在锂离子电池和钠离子电池负极材料以及作为锂硫电池载碳材料。