[发明专利]一种以配位聚合物为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料及应用

说明书

本发明涉及一种以Cd‑CP为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料及其在锂‑硒电池正极的应用。本发明所述的以Cd‑CP为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料，其制备方法包括以下步骤：配体的合成，配位聚合物的合成，氮掺杂多孔碳材料的合成。本发明采用含氮杂环羧酸类配体来合成Cd‑CP配位聚合物，可以保证了退火处理后制备得到的多孔碳均匀地掺杂了氮元素，能增加材料晶格的缺陷，增加电极的储锂位点从而有效地提高锂‑硒电池的比容量。本发明还提供一种锂‑硒电池正极材料及由该正极材料所组成的锂‑硒电池，本发明所述的C‑N/Se材料作为正极材料应用于锂‑硒电池中，能显著提高电池的寿命与循环稳定性。

技术领域

本发明涉及锂离子电池材料的应用领域，特别是涉及一种以配位聚合物为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料及应用。

背景技术

电池是新能源汽车产业发展的关键，低成本，环保，高能效的电池系统有助于环境的可持续发展及缓解能源紧缺的问题。近年来，基于转换反应的锂-硫族电池开始引起大众注意，被认为是可替代锂离子电池的下一代的电池体系之一。锂-硒电池的理论体积比容量为3253mAhcm^-3，理论比能量为2567Wh kg^-1，远高于目前商业化的锂离子电池正极。另外，硒具有比硫更高的导电性(1×10^-3S m^-1)和电化学活性。但是，和锂-硫电池一样，锂-硒电池在充放电过程中多硒化物的产生和穿梭效应会导致其循环性能变差和容量衰减。

值得注意的是，高孔隙率的多孔配位聚合物(CP)是可作为锂-硒电池正极前驱体的理想材料之一。对比常规的无机材料，配位聚合物具有孔道尺寸及形状可控，比表面积大，化学稳定性高等优点。另外，可以根据实际需要，功能化配体的官能团，以获得具有特定功用的配位聚合物。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，提供一种以配位聚合物为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料及应用。以有效解决现有技术中的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种以配位聚合物为前驱体制备的氮掺杂多孔碳材料，其制备方法包括以下步骤，

1)配体的合成：合成5-(3-(吡啶-3-基)苯甲酰胺基)间苯二甲酸(3-H₂PBI)配体；

2)配位聚合物的合成：取3-H₂PBI与Cd(NO₃)₂·4H₂O于溶剂中进行加热反应，得Cd-CP配位聚合物；

3)氮掺杂多孔碳材料的合成：在惰性气体氛围下，将步骤2)制得的Cd-CP配位聚合物通过直接热解和酸蚀得氮掺杂多孔碳材料。

进一步地，所述步骤1)中，将3-羧基苯硼酸、3-溴吡啶、Na₂CO₃和乙腈混合溶解，通入氮气一段时间后，加入催化剂Pd(PPh₃)₄，将混合溶液于80-90℃的条件下隔绝氧气加热20-30小时，得到3-吡啶-3-基苯甲酸；将3-吡啶-3-基苯甲酸加入亚硫酰氯中，80-95℃下搅拌加热8-10小时，得3-吡啶-3-基苯甲酰氯；将3-吡啶-3-基苯甲酰氯溶于二甲基乙酰胺中，获得A溶液，将5-氨基间苯二甲酸加入到二甲基乙酰胺溶液，超声溶解获得B溶液，将A溶液慢慢滴加至B溶液中，冰水浴搅拌18-24小时，再向混合液中加入蒸馏水，离心收集白色固体，洗涤、干燥即可得3-H₂PBI。

更进一步地，所述3-羧基苯硼酸和3-溴吡啶的摩尔比为1:1-1.1。