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一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料及其制备方法和应用

文献发布时间：2023-06-19 11:40:48

技术领域

本发明属于钾离子电池负极材料制备技术领域，涉及一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的及其制备及钾离子电池负极的方法和应用，具体涉及是一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料及其制备方法和其作为钾离子电池负极的应用。

背景技术

钾离子电池作为一种可持续的能量储存装置，由于地壳富含钾且成本低廉，被认为是锂离子电池最有希望的替代品。[Wu,X.；Chen,Y.；Xing,Z.；Lam,C.W.K.；Pang,S.-S.；Zhang,W.；Ju,Z.Adv.Energy Mater.2019,9,1900343.]钾(1.5wt％)的地壳沉积量是锂(0.0017wt％)的882.4倍。[Zheng,J.；Yang,Y.；Fan,X.；Ji,G.；Ji,X.；Wang,H.；Hou,S.；Zachariah,M.R.；Wang,C.Energ.Environ.Sci.2019,12,615.]同时，K

为了克服钾化和退钾的障碍，一种很好的替代方法是通过掺杂N、S、O和P来控制碳晶格间距的扩大，而且通常比未掺杂的碳表现出更高的循环可逆性。三维S和N共掺杂碳纳米纤维气凝胶电极在2A g

近年来，双掺杂碳具有良好的电化学性能，包括N、O掺杂硬碳、P、N掺杂碳和S、O掺杂多孔硬碳微球。金属和非金属共掺杂碳材料不仅可以增加晶格间距，而且比钾掺杂材料具有更高的容量。钼-碳复合材料具有较高的理论容量、良好的导电性、稳定的金属性质和热稳定性，已成功地用于增强Li和Na的存储。然而，原位碳化富氮酞菁合成Mo和N共掺杂碳纳米复合材料作为钾离子电池阳极的应用尚报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种类似银耳结构的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的制备方法和作为钾离子电池负极材料的应用，该制备方法具有无污染、工艺简单、时间短、能耗低、稳定性好、产率高等特点，并且可以满足大批量生产；经该方法制得的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料在制备钾离子电池材料中具有比容量高和循环性能稳定等特点。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)将2,3-吡啶二羧酸、CoCl

2)将混合物先由室温升温至100～200℃下，保温处理10～60min，然后再升温至200～300℃下，保温处理1～3h，冷却至室温；

3)将步骤2)处理后的产物在氩气气氛下，先由室温升温至500～700℃，保温处理10～60min，然后再升温至700～1000℃，保温1～4h，冷却至室温；

4)将步骤3)处理后的产物清洗、干燥，制得活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料。

优选地，步骤1)中，2,3-吡啶二羧酸、CoCl

优选地，功能化处理后的活性炭是将活性炭置于浓度为2～8mol/L的HNO

优选地，步骤2)是在马弗炉中进行，混合物自室温起以5～15℃/min的升温速度升温至100～200℃下，保温处理10～60min后，以5～15℃/min的升温速度，加热升温至200～300℃。

优选地，步骤3)是在管式炉中进行，步骤2)处理后的产物自室温起，以5～15℃/min的升温速度，升温至500～700℃，保温10-60分钟；然后以5～15℃/min的升温速度，加热至700～1000℃。

本发明还公开了采用上述的制备方法制备得到的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料。

本发明还公开了采用上述的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料在制备钾离子电池负极材料中的应用。

本发明还公开了一种钾离子电池负极材料，该钾离子电池负极材料由上述的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料制得，且该钾离子电池负极材料在50mA/g电流密度下的循环性能为：首圈达到457.5mAh/g，循环100圈后稳定在383.1mAh/g；在5A/g的大电流密度下，高容量为144.4mAh/g，每一个循环容量损失率为0.49‰。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的制备方法，设计思路新颖，先将功能化后的活性炭，2,3-吡啶二羧酸，CoCl

进一步地，本发明所使用的活性炭是采用2-8mol/L的HNO

经本发明制得的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料，纯度高，能够作为钾离子电池负极材料，其表现的循环稳定性好(在50mA/g电流密度下的循环性能为：首圈达到457.5mAh/g，循环100圈后稳定在383.1mAh/g)，放电比容量高(在5A/g的大电流密度下，高容量为144.4mAh/g)，能够作为钾离子电池负极材料的广泛使用。

附图说明

图1为本发明制备的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的XRD图；

图2为本发明制备的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的电镜照片；其中，a、b为制备的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料不同放大倍数的SEM图；c、d为制备的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料不同放大倍数的TEM图；

图3为本发明制得的活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料在不同电流密度的钾离子电池的倍率性能图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例1

一种活性炭负载钼和氮双掺杂碳纳米片阵列复合材料的制备方法，包括以下步骤：

1)取0.1g功能化后的活性炭(2mol/L的HNO

2)放置马弗炉中，将混合物以5℃/min的升温速度，自室温起升至100℃，保温20分钟；然后以5℃/min的升温速度，加热至250℃，保温2h，冷却至室温；

3)将步骤2)处理后的产物放进管式炉中，在氩气的环境下，以5℃/min的升温速度，升温至500℃，保温10分钟；然后以5℃/min的升温速度，加热至700℃，保温1h，冷却至室温；