[发明专利]一种氮掺杂的枝状多孔碳纳米管的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂的枝状多孔碳纳米管的制备方法，属于微纳米材料合成技术领域。包括以下步骤：将1，3，5‑苯三甲酸、乙酸盐（四水乙酸钴和二水乙酸锌）分别溶于去离子水中形成溶液A和溶液B；将溶液B加入油浴至沸腾的溶液A中反应，离心清洗获得锌钴‑均苯三甲酸配位聚合物（ZnXCoY‑BTC）；将锌钴‑均苯三甲酸配位聚合物（ZnXCoY‑BTC）和咪唑分别溶于乙醇和去离子水混合溶液中形成悬浮液C和溶液D；将悬浮液C加入一定温度的溶液D中恒温反应，离心清洗获得管状锌钴‑沸石咪唑脂框架（ZnXCoY‑ZIF）。将锌钴‑沸石咪唑脂框架（ZnXCoY‑ZIF）置于氩气氛围下高温退火后酸洗，获得氮掺杂的枝状多孔碳纳米管。本发明制备的氮掺杂的枝状多孔碳纳米管应用于钾离子电池负极材料。

技术领域

本发明属于微纳米材料合成技术领域，具体涉及以一种金属有机框架（MOFs）为前驱体，结合氩气气氛下高温退火处理获得枝状沸石咪唑脂框架（ZIF）衍生的多孔碳纳米管的制备方法。

背景技术

由于地壳中锂资源十分有限，人们开始去探寻钾离子电池储能技术。钾资源具有存储丰富、广泛分布和无毒性，以及与锂相似的物理化学性质等特性。因此钾离子电池（PIBs）被认为是一种很有前途的能源存储候选电池。钾离子电池由于具有高的能量密度，电解质中快速的离子传输动力学，成本低等特点是替代锂离子电池的首选。然而，钾离子电池本身存在的若干问题阻碍了它的进一步发展，如可逆容量低、速率性能差、循环稳定性差等。金属有机框架（MOFs）是一类由有机配体和无机金属离子组成的微孔晶体材料，近年来受到了人们的密切关注。金属有机框架（MOFs）具有如多孔晶体框架、超高的孔隙率和比表面积、高度可调谐的组成和结构等特性，可广泛应用于能源存储、气体分离、催化、传感和药物传输等领域。特别地，以金属有机框架（MOFs）为前驱体合成的多孔碳材料，由于其高比表面积、快速的离子传输路径及良好的热稳定性，可作为高效的钾离子电池负极材料。

发明内容

为了进一步提高钾离子电池负极材料的电化学性能，本发明提供一种可应用于钾离子电池负极材料的氮掺杂的枝状多孔碳纳米管的制备方法。

一种氮掺杂的枝状多孔碳纳米管的制备操作步骤如下：

（1）将1，3，5-苯三甲酸溶于去离子水中形成浓度4.67 g L^-1的溶液A，置于油浴锅中搅拌至沸腾；

（2）将四水乙酸钴和二水乙酸锌溶于去离子水中形成浓度47 g L^-1的溶液B；四水乙酸钴和二水乙酸锌摩尔比为7 : 3 ～ 9 : 1；

（3）将溶液B缓慢加入溶液A中，溶液A和溶液B的体积比为9 ：1；在沸腾条件下搅拌反应一定时间，将产物离心分离，用乙醇和去离子水多次洗涤，置于80 ℃烘箱烘干12 h，获得锌钴-均苯三甲酸配位聚合物（ZnXCoY-BTC）粉体，粉体颗粒的形状为纳米线；ZnXCoY中X为锌的百分含量，Y为钴的百分含量；

（4）将锌钴-均苯三甲酸配位聚合物（ZnXCoY-BTC）粉体分散于乙醇和去离子水混合溶液中形成浓度10 g L^-1的悬浮液C；乙醇和去离子水体积比为9 ：1；

（5）将2-甲基咪唑溶于乙醇和去离子水混合溶液中形成浓度30 g L^-1 ～ 150 gL^-1的溶液D；乙醇和去离子水体积比为9 ：1；

（6）将溶液D水浴加热至一定温度，将悬浮液C缓慢加入溶液D中在水浴锅中恒温搅拌反应一定时间，悬浮液C和溶液D体积比为1 ：3；将产物离心分离，用乙醇和去离子水多次洗涤，置于80 ℃烘箱烘干12 h，获得锌钴-沸石咪唑脂框架（ZnXCoY-ZIF）粉体，粉体颗粒的形状为纳米管；