[发明专利]一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法

说明书

本发明公开了一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，将镍源和碳源混合充分研磨放入管式炉中，在氮气或惰性气体气氛下，以5‑20℃/min的升温速率匀速升温至500～700℃；待产物自然冷却进行收集，获得产物Ni/C；将产物Ni/C在硝酸中静置，腐蚀Ni金属单质，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管；本发明通过控制反应过程中的工艺条件，再配合不同金属催化剂催化碳纳米管生长，实现碳纳米管缺陷的增加，碳管的出现管壁坍缩，使电池结构更加稳定，提高电池的倍率与循环性能；过渡金属Ni原位催化生长的碳纳米管，可显著提升材料在充放电过程中的导电性和结构稳定性。

技术领域

本发明属于复合材料合成领域，具体涉及一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法。

背景技术

电化学储能技术的应用有效的解决了清洁能源的存储、利用和转换方面的问题，在未来具有广阔的发展前景。目前锂离子电池由于其本身优异的性能比如能量密度高、能量转换率高和安全性好等优点被广泛应用于电化学储能领域。但是随着锂离子电池相关研究的不断进行，锂离子电池的容量已经出现了难以提升的情况。为了满足不断发展的大型储能设备的需求，我们开始将目光转移到其他的电池体系。近年来，钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)因Na源和K源在地壳中丰度高(Na和K分别为2.36wt.％和2.09wt.％)，因而受到广泛的关注。尤其对于PIBs，K/K+的氧化还原电位(-2.93V)低于Na/Na+(-2.71V)，从而保证了储钾电池更高的工作电压和能量密度，有望成为新一代高能量密度和低成本电化学能储能系统。然而，由于PIBs具有较大的K+半径、较慢的反应动力学等特性，其应用仍然面临着极大的挑战。

碳质材料由于其具有可调节的微观结构，低成本和环境友好等特性，已成为钾离子电池(PIB)最有希望的阳极之一。其中碳纳米管是一种常见的碳材料，碳纳米管具有良好的石墨化结构，导电性能十分优异。更重要的是，钾离子可以嵌入到石墨层中形成KC8，就像锂离子一样可具有较大的比容量(279mA h g-1)，低工作电压平台(0.5V)和较高的初始库伦效率(ICE)，所有这些都有助于PIB的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，实现碳纳米管缺陷的增加，使电池结构更加稳定，提高电池的倍率与循环性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，包括以下步骤：

1)取镍源和碳源混合充分研磨，然后置于坩埚中放入管式炉中，在氮气或惰性气体气氛下，以5-20℃/min的升温速率匀速升温至500～700℃，达到反应温度后停止加热；在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)经步骤1)，待产物自然冷却进行收集，获得产物Ni/C；

3)将获得的产物Ni/C在硝酸中静置，腐蚀掉过多的Ni金属单质，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管。

进一步，所述镍源和碳源质量比为1：(1～4)。

进一步，所述镍源为分析纯的硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、氨基磺酸镍、溴化镍或氢氧化亚镍。

进一步，所述碳源为尿素、三聚氰胺或葡萄糖。

进一步，所述硝酸浓度为0.5M、1M或3M。

进一步，所述步骤3)清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

进一步，所述坩埚为石英坩埚或氧化铝坩埚。

本发明具有以下有益效果：