[发明专利]一种硼硫共掺杂碳纳米管及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种硼硫共掺杂碳纳米管及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：步骤1，利用硝酸蒸汽对碳纳米管进行氧化刻蚀，得到刻蚀后的碳纳米管；步骤2，将硫源和硼源混合后作为掺杂剂，加入蒸馏水中加热，使掺杂剂完全溶解，得到掺杂剂溶液；步骤3，取所述刻蚀后的碳纳米管和所述掺杂剂溶液，混合分散均匀后，于160‑200℃下保温12‑24h，冷却至室温后，除去上层清液，利用去离子水洗涤沉淀物并离心分离，烘干后得到硼硫共掺杂碳纳米管。本发明可实现硼和硫的有效掺杂，提高了碳纳米管的电化学性能。

技术领域

本发明涉及碳纳米管材料技术领域，特别是涉及一种硼硫共掺杂碳纳米管及其制备方法和应用。

背景技术

随着科学技术的发展和社会的进步，对于高能量密度电池的需求日益增强。目前商用的锂离子电池的发展遇到瓶颈，如何制备高性能电池负极材料是难题之一。碳纳米管是被研究的最多的负极材料之一，它具有极好的力学性能、独特的管状结构、超大的长径比和比表面积，可提供大量的活性位点，但碳纳米管负极材料的导电性和循环性能较差、库仑效率低、容量较低等使其难以得到广泛的应用。

对碳纳米管进行异原子掺杂，可使碳的电子态密度、带隙、激发能等发生改变。碳纳米管的结构和物理化学性质的变化对其电化学性能产生积极影响，提高了碳纳米管负极的电池比容量、循环性能、稳定性和安全性等性能。

在各种掺杂元素中，三价的硼元素能够p型掺杂，有效提高碳纳米管的导电性，同时增强电池的循环稳定性；引入硫元素形成n型掺杂而提高碳纳米管的电导率，增大碳层间距，并且硫还能吸附锂离子，增加碳纳米管的反应活性位点，对电池的容量产生额外贡献。硼/硫共掺杂产生的协同效应，能够有效提升碳纳米管的电化学性能。

目前合成硼/硫共掺杂碳纳米管的方法主要包括热解法、化学气相沉积法等原位法，以及水热/溶剂热法结合后期热处理的后处理法，原位法危险性较大且成本高，后处理法工艺简单且掺杂效率较高。两步水热法首先利用硝酸蒸汽使纯碳纳米管产生缺陷形成碳悬键，再通过水热法引入硼和硫元素，在不改变原始碳纳米管微观形貌的情况下，实现硼/硫元素共掺杂。该方法存在制备过程耗时以及规模化程度低的缺点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的硼/硫共掺杂碳纳米管的制备方法存在诸多缺陷的问题，而提供一种硼硫共掺杂碳纳米管的制备方法。具体采用两步水热法，简单有效的制备硼/硫共掺杂碳纳米管。

本发明的另一方面，是提供利用所述制备方法得到的硼硫共掺杂碳纳米管。

本发明的另一方面，是提供所述硼硫共掺杂碳纳米管的应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种硼硫共掺杂碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，利用硝酸蒸汽对碳纳米管进行氧化刻蚀，得到刻蚀后的碳纳米管；

步骤2，将硫源和硼源混合后作为掺杂剂，加入蒸馏水中加热，使掺杂剂完全溶解，得到掺杂剂溶液；

步骤3，按照质量比在1:(5-7)，优选1:5，取所述刻蚀后的碳纳米管和所述掺杂剂溶液，混合分散均匀后，于160-200℃下保温12-24h，冷却至室温后，除去上层清液，利用去离子水洗涤沉淀物并离心分离，烘干后得到硼硫共掺杂碳纳米管。

在上述技术方案中，所述步骤1中，将纯碳纳米管置于硝酸蒸汽中，于180-200℃，保温3-5h，进行氧化刻蚀，其中所述纯碳纳米管的质量份数与所述硝酸的体积份数比为(0.1-0.6):(0.2-0.5)，质量份数的单位为g，体积份数的单位为ml，氧化刻蚀完成后自然冷却至室温，用蒸馏水洗涤产物至中性，干燥得到刻蚀后的碳纳米管。