[发明专利]一种磷氮共掺杂纳米多孔碳颗粒的制备方法

说明书

本发明公开了一种磷氮共掺杂纳米多孔碳颗粒的制备方法，其特征在于，将磷源、铁源、氮源、碳源分别置于引流瓶中，由氮气作为载气通过引流瓶将原料带入管式炉高温区，管式炉温度设定在500～1350℃，化学气相沉积后形成前驱体纳米颗粒并随载气离开管式炉高温区，由载气带出至管式炉外连接的收集装置中，从而收集产物前驱体；将前驱体，经过酸洗除去铁颗粒，随后洗涤、冷冻干燥得到磷氮共掺杂多孔碳纳米颗粒。本发明制得的颗粒尺寸、形貌可控，操作简单，具有成本低廉，工序较少、操作简单等优点，同时得到的纳米颗粒具有较高的电化学活性，可应用于锂/钠离子电池或者超级电容器的电极材料工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种电化学储能电池的电极材料合成方法，具体涉及到一种磷氮共掺杂纳米多孔碳颗粒的制备方法，属于电化学领域。

背景技术

碳纳米材料因其良好的导电性、柔韧性、高的比表面积以及机械强度等特点而备受市场和科研工作者的青睐。含有掺杂元素(如硼、氮、磷、硫等)的碳纳米材料，由于其可形成类似于p型或n型结构，可以有效地吸附电荷或提供活性位点，同时提高材料的导电性，将其应用于相关电子器件材料或电池材料具有重要的应用价值。磷氮共掺杂碳纳米材料作为一种较为新型的碳纳米材料可使电池材料具有更高的锂/钠嵌入量和很好的脱/钠可逆性，以保证电池的高电压、大容量和长循环寿命。然而，在传统的制备过程中，往往需要多步反应过程，同时得到的产品比表面积和石墨化不能兼顾，限制了其进一步发展的空间。因此，开发一种简单、高效、环保的磷氮共掺杂纳米材料具有十分重要的意义。

经对现有技术的文献检索发现，Zhikang Liu等人在《Carbon》(2021,171,36-44)上发表的“Rationally designed N,P Co-doped porous film via steam etching asself-supported binder-free anode for high-performance lithium-ion battery”一文中提及到一种制备氮磷共掺杂多孔碳材料的方法，即首先将配制好的聚丙烯腈、聚偏氟乙烯(PVDF)和乙酰丙酮铁混合溶液通过电纺丝并在250℃中保温3小时得到氮掺杂的碳膜；接着在将之前得到的碳膜进行碳化；然后取适量的NaH₂PO₄粉末于容器中经由氩气引入装有碳化后的膜的马弗炉中，此时为氩气气氛、温度800℃，反应2小时的到磷氮共掺杂的碳纳米材料。由于其制备过程步骤较多，进行了多次的热处理过程且热处理时间较长，容易造成产品的损耗，这制约了磷氮共掺杂碳纳米材料的连续化和大规模生产，也不利于将该种方法实现工业化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有氮磷共掺杂多孔碳材料的制备方法工艺复杂，效率低，损耗大等问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种磷氮共掺杂纳米多孔碳颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：将铁源、氮源与碳源混合后和磷源分别置于引流瓶中，由氮气作为载气通过引流瓶将原料带入管式炉高温区，管式炉温度设定在500～1350℃，化学气相沉积后形成前驱体纳米颗粒并随载气离开管式炉高温区，由载气带出至管式炉外连接的收集装置中，从而收集产物前驱体；

步骤2)：将步骤1)所得前驱体，经过酸洗除去铁颗粒，随后洗涤、冷冻干燥得到磷氮共掺杂多孔碳纳米颗粒。

优选地，所述步骤1)中的磷源为次磷酸铵、亚磷酸或三溴氧磷，将磷源置于一引流瓶中，并将该引流瓶的环境温度控制在0～70℃；铁源为五羰基铁，氮源为尿素、甲胺或二甲胺，碳源为乙腈或甲醇，将铁源、氮源与碳源混合后置于另一引流瓶中，该引流瓶的环境温度控制在0～40℃。

优选地，所述步骤1)中铁源、氮源、碳源与磷源的质量比为7:2:0.2:0.1～1:25:25:500。

优选地，所述步骤1)中氮气通入的速率为16～600L/h。