[发明专利]一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用

说明书

本发明属于钾离子电池技术领域，涉及一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用。将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。本发明通过掺杂磷构建具有足够缺陷和边缘位点的N掺杂碳材料，实现较高的活性N比例，提高钾的存储性能，同时能够以经济高效的方法得到具有电导率高、倍率性能好，循环稳定性强的先进电极材料。

技术领域

本发明属于钾离子电池技术领域，涉及一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

氮原子掺杂是提高碳质材料作为钾离子电池负极材料的储钾性能的有效方法之一，可以有效地调整表面官能团、局部电子结构和化学性质，提高电子电导率、电解质润湿性并产生更强的储钾活性位点以提高储钾性能。发明人研究发现，N缺陷位点的类型(吡啶-N、吡咯-N或石墨-N)在储能装置中起着关键作用，掺杂碳的活性N含量可能决定其反应特性。与石墨-N相比，吡啶-N和吡咯-N在能量上更有利于离子存储，因为它们可以诱导足够的缺陷，提供更多的活性位点，提高反应性和电子导电性。而目前氮原子掺杂的碳质材料具有的缺陷和边缘位点较少，使得活性氮比例较低，因而使得氮原子掺杂的碳质材料钾的存储性能有待提高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片及其制备方法与应用，通过掺杂磷构建具有足够缺陷和边缘位点的N掺杂碳材料，实现较高的活性N比例，提高钾的存储性能，同时能够以经济高效的方法得到具有电导率高、倍率性能好，循环稳定性强的先进电极材料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片的制备方法，将过渡金属硝酸盐与六亚甲基四胺在乙醇溶液中通过氢键作用形成金属六胺框架前驱体，将金属六胺框架前驱体在惰性气氛下进行热解获得N/C前驱体，将N/C前驱体与次磷酸钠在惰性气氛下进行加热磷化处理，冷却后即得。

本发明制备的磷掺杂的富氮多孔碳纳米片(P-N/C)具有二维多孔结构，且该二维多孔结构具有较大的层间距、丰富的孔缺陷和边缘，可以有效地减少K⁺扩散距离并促进K⁺扩散动力学。同时，通过额外的P掺杂，P-N/C负极具有更大的比表面积、优越的电导率和更高的吡咯-N和吡啶-N含量，不仅可以暴露更多可接近的活性位点，增加界面K⁺吸附反应，而且还能加速电子传递，促进循环过程中的电荷转移动力学，展现出优异的电化学性能。

另外，本发明经过研究发现，过渡金属硝酸盐中阴离子影响材料的形貌结构，采用硝酸盐时能够获得本发明所述的形貌结构。

另一方面，一种磷掺杂的富氮多孔碳纳米片，由上述制备方法获得。本发明制备的P-N/C具有二维多孔结构、大的比表面积、独特的磷掺杂氮富余的结构体系以及出色的电子电导率和更多的活性位点，这些特性通过其出色的协同效应而表现出优异的电化学性能。

第三方面，一种上述磷掺杂的富氮多孔碳纳米片在钾离子电池中的应用。尤其是在钾离子电池负极中的应用。

第四方面，一种钾离子电池负极，包括集流体和活性成分，所述活性成分为上述磷掺杂的富氮多孔碳纳米片。

第五方面，一种钾离子电池，包括上述钾离子电池负极、对电极、隔膜及电解液。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明选用过渡金属硝酸盐和六亚甲基四胺(HMT)在乙醇溶液中通过氢键作用形成具有特殊结构的金属六胺框架前驱体。