[发明专利]一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料及其制备方法和应用，以掺杂石墨烯为基体，采用简单可控的金属催化原位生长碳纳米管的方法，得到一种氮掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级结构；解决了碳纳米管团聚和石墨烯重堆叠的问题，实现了碳管的有效分散，另外异原子掺杂还能提高材料的导电性，增加储能活性位点。该多级结构结合掺杂石墨烯和碳纳米管的优异特性，可应用在锂离电池和钠离子电池负极活性材料以及锂硫电池载硫载体等领域。

技术领域

本发明属于锂离子电池和钠离子电池电极材料领域，涉及一种碳材料包覆金属硫化物的复合材料，具体涉及一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳纳米管是一种中空的一维碳纳米材料，一般直径小于100nm，长度可达微米级，因此长径比非常大，可视为一维量子材料。其特殊的力学，热学，电磁学等特性以及其在各领域的潜在应用价值而迅速成为物理化学届的研究热点。常见的碳纳米管的制备方法有电弧放电法，激光蒸发法，化学气相沉积法(热解催化法)。然而，以上制备方法均需要苛刻的实验条件，且生产成本高。

另外，碳纳米管是一种纳米材料，具有典型的团聚效应，限制了其一维结构带来的特有的性质。因此，有效的分散碳纳米管是其高效应用的关键。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明目的是提供一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料及其制备方法和应用，采用简单可控的金属催化原位生长碳管的方法得到一种石墨烯和碳纳米管复合的多级碳纳米结构，实现了碳管的有效分散。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯分散于适量的去离子水中，得到氧化石墨烯分散液，然后依次加入三聚氰胺、三聚硫氰酸和钴盐，搅拌反应，然后冷冻干燥样品；

所述氧化石墨烯分散液的浓度为0.1～4mg/ml，体积为20-100ml；

所述氧化石墨烯、三聚氰氨和三聚硫氰酸、钴盐的质量比为1：(0.2～10):(0.2～5)：(0.3～12)；

2)热处理样品：将干燥的样品置于惰性气体保护的管式炉中煅烧；

所述热处理过程采用2～20℃/min的升温速率升温到600～1000℃，保温1～5h；

3)将热处理完的样品置于稀盐酸中，搅拌刻蚀掉金属颗粒，过滤、清洗即得到氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料。

进一步，所述步骤1)钴盐为乙酸钴、硝酸钴、硫酸钴和氯化钴中的一种。

进一步，所述步骤1)搅拌温度为50℃～120℃，搅拌时间为1～12h。

进一步，所述步骤2)中热处理过程中保护气氛惰性气体的气流速为0～500sccm。

进一步，所述步骤3)中的稀盐酸浓度为1～6M，搅拌时间为1～5天。

一种氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料作为锂电池负极活性材料、钠电池负极活性材料或者锂硫电池正极载体的应用。

发明的有益效果体现在：

本发明的氮硫共掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级三维碳纳米材料制备方法，以掺杂石墨烯为基体，采用简单可控的金属催化原位生长碳纳米管的方法，得到一种氮掺杂石墨烯和碳纳米管复合的多级结构；解决了碳纳米管团聚和石墨烯重堆叠的问题，实现了碳管的有效分散，另外异原子掺杂还能提高材料的导电性，增加储能活性位点。该多级结构结合掺杂石墨烯和碳纳米管的优异特性，可应用在锂离电池和钠离子电池负极活性材料以及锂硫电池载硫载体等领域。