[发明专利]一种超高边缘氮掺杂炭纳米片及其制备方法和应用

说明书

一种超高边缘氮掺杂炭纳米片及其制备方法和应用，其中制备方法包括：将含有酸类基团的反应性高分子接枝于氧化石墨烯表面，制备得到氧化石墨烯‑聚合物分子刷；将含有氨基的富氮小分子加入氧化石墨烯‑聚合物分子的水溶液中，经搅拌、水热反应和冷冻干燥得到自组装复合物；将自组装复合物在惰性气体中炭化得到超高边缘氮掺杂炭纳米片。本发明可以通过改变反应性高分子和小分子的种类和比例进行组装，所制得炭纳米片内超高的边缘氮含量为炭骨架提供发达的储钾活性位点，氧化石墨烯所提供的二维纳米片形貌和高导电性石墨烯骨架显著提高了活性位点利用率和离子传输能力，该炭纳米片用作钾离子电池负极时展现出优异的倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明涉及纳米炭材料和钾离子电池领域，具体涉及一种超高边缘氮掺杂炭纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

锂离子电池具有高能量密度，循环寿命长和环境友好等优点，在可充电电池领域具有主导地位。然而，锂资源在地球上分布稀缺且分布不均，同时其成本的日益增长极大限制了其在日益增长的大规模储能行业中的进一步应用。另一方面，钾资源在地壳中分布广泛且成本低廉，钾离子电池的储能机制与锂离子电池类似，因此钾离子电池有望成为锂离子电池的低成本替代品。然而，钾离子的离子半径较大，在传统锂离子电池负极材料(如石墨等)中嵌入/脱嵌动力学过程相对困难，会不可避免地带来充放电循环过程中电极材料较大的体积膨胀，从而导致性能不尽人意，进而限制了钾离子电池的进一步应用。

开发新型高性能负极材料是推动钾离子电池发展的关键之一。其中，炭材料具备低成本、高导电性、物理化学性质稳定等优点，是理想的负极材料之一。但商用石墨的石墨层间距较小，不利于钾离子嵌入/脱嵌，储钾容量和循环稳定性不理想。近年来，杂原子掺杂被证明是有效提高炭材料储钾性能的策略之一。在硬炭骨架中引入氮、氧、磷等杂原子不仅可以扩大石墨微晶的层间距，有利于钾离子的嵌入/脱嵌，还能为钾离子在材料表面的吸/脱附提供富电负性的缺陷位点。经过理论和实验证明，炭骨架中的边缘氮(吡啶氮和吡咯氮)掺杂可以提升材料的电化学活性，从而显著提高负极材料的容量和稳定性。

然而，目前报道的大多数氮掺杂炭材料的氮掺杂含量较低，边缘氮比例不合理，同时纳米形貌无定型，不利于活性位点的充分暴露。除此之外，富氮掺杂的炭材料往往需要在较低的热处理条件下制备，这便不可避免地导致材料的导电性不理想。

因此，制备一种兼具高边缘氮含量、活性位点充分暴露的高导电性的炭材料，可以有望提高储钾容量和循环稳定性，从而推动钾离子电池领域的发展。

发明内容

基于此，本发明提供了一种超高边缘氮掺杂炭纳米片及其制备方法和应用，以解决现有技术的氮掺杂炭材料中氮掺杂含量较低，边缘氮比例不合理，同时纳米形貌无定型等技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种超高边缘氮掺杂炭纳米片的制备方法，其包括以下步骤：

1)将含有酸类基团的反应性高分子接枝于氧化石墨烯表面，制备得到氧化石墨烯-聚合物分子刷；

2)将含有氨基的富氮小分子加入步骤1)中制得的氧化石墨烯-聚合物分子的水溶液中，经搅拌、水热反应和冷冻干燥得到自组装复合物；

3)将步骤2)中制得的自组装复合物在惰性气体中炭化得到超高边缘氮掺杂炭纳米片。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1)中，所述反应性高分子为聚丙烯酸、聚对苯乙烯磺酸、聚对苯乙烯硼酸中的一种或几种；步骤2)中，所述富氮小分子为三聚氰胺、尿素、硫脲、单氰胺、双氰胺中的一种或几种。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤1)中，所述反应性高分子在氧化石墨烯-聚合物分子刷中的比例占30wt％以上。

作为本发明的进一步优选技术方案，步骤2)中，所述反应性高分子与所述富氮小分子按反应性高分子中酸类基团与富氮小分子中氨基的摩尔比为1:1～10进行自组装复合。