CN105460917B - 一种具有分级结构的氮掺杂碳纳米管及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有分级结构的氮掺杂碳纳米管及其制备方法。该材料掺杂有氮，具有明显的分级结构，所述的碳纳米管由更微小的氮掺杂碳颗粒组成。制备：搅拌使苯胺均匀分散于酸溶液中，获得苯胺悬浮液，然后冰浴20～60分钟，冰浴过程中保持搅拌；将氧化剂溶于去离子水中，搅拌使其溶解，冰浴5～30分钟；将搅拌关闭，将氧化剂溶液迅速倒入苯胺悬浮液混合液中，冰浴8～28小时，用去离子水和乙醇分别离心洗涤直至上清液澄清，放入烘箱中烘干；将烘干的样品进行研磨，然后在空气中进行热处理，自然冷却；将前述处理后的复合物在惰性气氛下进行高温煅烧，自然冷却。其具有高容量、倍率性能好、循环性能好的优点，可作锂离子电池负极材料。

Description

一种具有分级结构的氮掺杂碳纳米管及制备方法
技术领域
本发明涉及一种氮掺杂碳纳米管的制备方法及其制备方法。
背景技术
石墨(包括天然石墨、人工石墨)作为传统商用锂离子电池负极材料，由于其理论容量低(372mAh/g)，循环寿命较低、倍率性能差等原因，极大地限制了其在锂离子电池负极材料领域的应用。为了进一步满足大功率、高容量储能设备(如便携式电子设备、存储基站和电动汽车等)的需求，国内外科研工作者一直致力于研究和开发容量高、循环稳定性好、经济低廉的锂离子电池负极材料。氮掺杂碳不仅具有比传统商用石墨更高的锂离子存储容量，同时其还具有更高的电导率，被认为是一种极具潜力的锂离子电池负极材料。然而，提供一种可大规模制备、成本低廉、循环稳定性好的氮掺杂碳仍然是一个巨大的挑战。
近年来，国内外研究人员通过一系列方法得到的氮掺杂碳具有良好的倍率性能和较高的比容量，比如Li等人(Li X，et al.Journal of Power Sources,2012,197:238-245.)通过化学气相沉积法生长得到氮掺杂纳米管，具有优异的循环性能，其比容量两倍于未掺杂碳纳米管；Wang等人(Wang Z,et al..Electrochimica Acta,2013,106:320-326.)通过模板法制得网络结构聚吡咯纳米纤维，通煅烧剥离得到网络结构氮掺杂碳纳米纤维，具有优异的储锂容量；Li等人(Li Z,et al..Energy&Environmental Science,2013,6(3):871-878.)从蛋白质衍生物中剥离得到介孔氮掺杂碳材料，氮含量高达10％以上，在锂离子电池及电容器应用上均具有超高容量；Xiang等人(Xiang X,et al.Materials ResearchBulletin,2011,46(8):1266-1271.)通过碳酸钾(KC2O3)处理所制备的聚苯胺纳米球，再辅以高温煅烧，得到比容量较高的氮掺杂微孔碳纳米球。尽管目前关于氮掺杂碳锂离子电池负极材料已经取得一定进展，但是这些文献集专利所述的氮掺杂碳材料或工艺复杂、成本较高，或循环寿命很短，难以满足锂离子电池负极材料的应用需求。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种具有分级结构的氮掺杂碳纳米管及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
提供一种氮掺杂碳纳米管，该材料掺杂有氮，具有明显的分级结构，其中所述的碳纳米管由更微小的氮掺杂碳颗粒组成。
按上述方案，碳纳米管的直径50～200纳米，氮掺杂碳微粒的直径为10～50纳米。
提供一种氮掺杂碳纳米管的制备方法，包括以下步骤：
1)搅拌使苯胺均匀分散于酸溶液中，获得苯胺悬浮液，然后冰浴20～60分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)将氧化剂溶于去离子水中，搅拌使其溶解，冰浴5～30分钟；
3)将步骤1)中的搅拌关闭，然后将步骤2)中的氧化剂溶液迅速倒入步骤1)的苯胺悬浮液混合液中，冰浴8～28小时，用去离子水和乙醇分别离心洗涤直至上清液澄清，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在空气中进行热处理，自然冷却，得到初步碳化后的复合物；
5)将步骤4)处理后的复合物在惰性气氛下进行高温煅烧，自然冷却，得到氮掺杂碳纳米管材料。
按上述方案，步骤1)所述的酸为有机酸(草酸、柠檬酸、植酸、十二烷基苯磺酸、苹果酸、水杨酸以及苯甲酸)及无机酸(盐酸、磷酸、硝酸、高氯酸以及硫酸)中的一种。
按上述方案，步骤2)所用的氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、二氧化锰、乙二酸、过氧化氢、重铬酸钾、高锰酸钾中的任意一种。
按上述方案，步骤2)中氧化剂溶液的浓度为0.0625～1.25mol/L。
按上述方案，所述苯胺和酸的物质的量比为8.0～15.5mmol：0.1～1.5mmol。
按上述方案，所述苯胺和氧化剂的物质的量比为8.0～15.5mmol：5.0～25.0mmol。
按上述方案，步骤4)所述的研磨时间为10～30分钟；
按上述方案，步骤4)所述的热处理是指在空气氛围下以1～15℃/min升温速率，升到目标温度150～280℃保温0.5～5小时；
按上述方案，步骤5)所述的高温煅烧是指在氮气气氛下，以1～15℃/min升温速率，升到目标温度500～850℃后保温5～15小时。
本发明的优点在于：
本发明提供具有分级结构的氮掺杂纳米管作锂离子负极材料充分利用了技术成熟且已经工业化的碳做主要的充放电材料，可以充分缓解因锂离子嵌入和脱出过程中的应力变化，保证有益的循环稳定性；具有良好的导电性；此外，通过掺杂氮，利用氮具有存储锂离子的功能，克服了碳理论容量低的弊端，具有高容量、倍率性能好、循环性能好的优点。
本发明制备方法工艺简单、易于操作、原料来源广泛、成本廉价、可以实现大规模生产，是制备适于用于工业化生产的高性能锂离子电池电极材料的有效方法。
附图说明
图1是氮掺杂纳米管锂电负极时的模拟电池的循环性能图；
图2是氮掺杂纳米管锂电负极时的模拟电池的倍率性能图；
图3是氮掺杂纳米管的SEM照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步阐述。下列实施方案都只是举例说明，所有在本发明或等同本发明的范围内的改变均被本发明包含。
对比实施例(未经空气热处理)
1)量取10.0mmol苯胺，0.52mmol植酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中30分钟；
2)称量17.3mmol过硫酸铵加入50mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴12小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干。
4)将步骤3)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在500℃下保温10小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即为一种氮掺杂碳纳米管材料，所得材料性能如表一所示。
实施例1
1)量取10.0mmol苯胺，0.52mmol植酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中30分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量17.3mmol过硫酸铵加入50mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴12小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以5℃/min的升温速率，在200℃下保温2小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在500℃下保温10小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即为氮掺杂碳纳米管材料。
以7：2：1的质量比分别称取氮掺杂碳纳米管材料：乙炔黑：聚四氟乙烯，加入特定体积的N-甲基吡咯烷酮超声处理1～2小时，均匀涂覆在铜箔上制成电极，采用金属锂片为正极，电解液为1mol/L LiPF6/EC-DMC(体积比为1:1)，聚丙烯微孔隔膜为隔膜(Celgard2300)组装成半电池。
图1是本发明氮掺杂碳纳米管材料做锂电负极时组装的模拟电池在电流密度为4000mA/g时的循环性能图，可以发现该材料具有非常好的循环性能；图2是倍率性能图，可以发现即使经历大电流密度充放电，恢复到小电流密度时，其充电比容量能够基本恢复。图3是该产物的SEM图，可以发现碳纳米管结构，管的直径50～150纳米，而且碳纳料管具有典型的分级结构，即碳纳米管进一步由直径为10～20纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例2
1)量取10.0mmol苯胺，0.21mmol植酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中20分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量17.3mmol过硫酸铵加入50mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴24小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以5℃/min的升温速率，在150℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以15℃/min的升温速率，在500℃下保温15小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径80～120纳米，由直径为10～20纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例3
1)量取10.0mmol苯胺，0.89mmol硫酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌10分钟混合后置于冰浴中60分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量5mmol氯化铁加入20mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴24小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以1℃/min的升温速率，在200℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在700℃下保温10小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径100～150纳米，由直径为40～50纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例4
1)量取15.3mmol苯胺，1.0mmol草酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中45分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量5mmol氯化铁加入20mL去离子水中，冰浴5分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴8小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在280℃下保温2小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以1℃/min的升温速率，在700℃下保温15小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径50～80纳米，由直径为5～20纳米的氮掺杂碳微粒构成。。
实施例5
1)量取15.3mmol苯胺，1.2mmol硝酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌15分钟混合后置于冰浴中30分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量25mmol二氧化锰，加入80mL去离子水中，冰浴20分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴28小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在280℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以5℃/min的升温速率，在600℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径100～180纳米，由直径为20～40纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例6
1)量取15.3mmol苯胺，1.2mmol高氯酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中30分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称25mmol二氧化锰，加入60mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴24小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以5℃/min的升温速率，在200℃下保温0.5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在700℃下保温15小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径80～180纳米，由直径为15～30纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例7
1)量取15.3mmol苯胺，1.5mmol高氯酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌20分钟混合后置于冰浴中30分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量25mmol二氧化锰加入50mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴12小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以5℃/min的升温速率，在150℃下保温4小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在850℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径40～120纳米，由直径为5～20纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例8
1)量取8.2mmol苯胺，0.89mmol硝酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌10分钟混合后置于冰浴中20分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量8.6mmol过硫酸铵，加入80mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴12小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以15℃/min的升温速率，在200℃下保温2小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在500℃下保温10小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径50～150纳米，由直径为10～30纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例9
1)量取8.2mmol苯胺，0.10mmol盐酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中20分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量8.6mmol过硫酸铵，加入50mL去离子水中，冰浴10分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴18小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以15℃/min的升温速率，在150℃下保温0.5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在850℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径100～150纳米，由直径为25～40纳米的氮掺杂碳微粒构成。
实施例10
1)量取8.2mmol苯胺，0.56mmol植酸加入到50mL去离子水中，磁力搅拌30分钟混合后置于冰浴中30分钟，冰浴过程中保持搅拌；
2)称量12.5mmol过硫酸铵加入50mL去离子水中，冰浴30分钟；
3)将步骤1)中的磁力搅拌关闭，然后将步骤2)溶液迅速倒入步骤1)混合液中，置于步骤1)同等条件下冰浴28小时，用去离子水和乙醇分别洗涤3次后，放入烘箱中烘干；
4)将步骤3)所得烘干的样品进行研磨，然后在充满空气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在150℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，取出所得产品；
5)将步骤4)所得产品进行研磨，然后在充满氮气的管式炉中，以10℃/min的升温速率，在850℃下保温5小时，待管式炉自然冷却，得到的黑色粉末即具有分级结构的氮掺杂碳纳米管材料。其中管的直径50～200纳米，由直径为15～35纳米的氮掺杂碳微粒构成。
将实施例2-10的氮掺杂碳纳米管参考实施例1的方法制备成电极，进行电池性能测试，结果见下表1。

Claims (7)

1.氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）搅拌使苯胺均匀分散于酸溶液中，获得苯胺悬浮液，然后冰浴20～60分钟，冰浴过程中保持搅拌；
（2）将氧化剂溶于去离子水中，搅拌使其溶解，冰浴5～30分钟；
（3）将步骤（1）中的搅拌关闭，然后将步骤（2）中的氧化剂溶液迅速倒入步骤1）的苯胺悬浮液混合液中，冰浴8～28小时，用去离子水和乙醇分别离心洗涤直至上清液澄清，放入烘箱中烘干；
（4）将步骤（3）所得烘干的样品进行研磨，然后在空气中进行热处理，自然冷却，得到初步处理后的复合物，所述的热处理是指在空气氛围下以1～15 ℃/min升温速率，升到目标温度150～280 ℃保温0.5～5小时；
（5）将步骤（4）处理后的复合物在惰性气氛下进行高温煅烧，自然冷却，得到氮掺杂碳纳米管材料。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的酸为有机酸草酸、柠檬酸、植酸、十二烷基苯磺酸、苹果酸、水杨酸以及苯甲酸及无机酸盐酸、磷酸、硝酸、高氯酸以及硫酸中的一种；
步骤（2）所用的氧化剂为过硫酸铵、氯化铁、二氧化锰、乙二酸、过氧化氢、重铬酸钾、高锰酸钾中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（2）中氧化剂溶液的浓度为0.0625～1.25mol/L。
4. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述苯胺和酸的物质的量比为8.0～15.5 mmol：0.1～1.5 mmol。
5. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：所述苯胺和氧化剂的物质的量比为8.0～15.5 mmol：5.0～25.0 mmol。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（4）所述的研磨时间为10～30分钟。
7. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳纳米管的制备方法，其特征在于：步骤（5）所述的高温煅烧是指在氮气气氛下，以1～15 ℃/min升温速率，升到目标温度500～850 ℃后保温5～15小时。
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