CN115385325A - 氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用，该氮掺杂碳纳米材料的制备方法包括：将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。高含量氮的均匀分布以及复合材料中的多孔结构使得该高氮碳材料(NC)兼具大的比表面积和孔体积、高分散的氮原子位点、绝佳的导电性。将其应用于金属硫电池能有效的解决金属硫电池中硫正极低的导电率，反应过程中多硫化物的穿梭效应等问题，可有效提高电池的电化学性能。

Description

氮掺杂碳纳米材料及其制备方法和相关应用
技术领域
本发明电化学储能技术技术领域，具体而言，涉及一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池。
背景技术
随着新时代的快速发展，温室效应和能源危机已成为全球经济可持续发展的重大阻碍，为减少石油消耗、保障能源安全和发展低碳经济，新能源的发展已然成为世界各国科技发展的重要战略目标。目前新能源汽车的发展尤为迅猛，商业化的电动汽车动力和储能***主要以锂离子电池为主，但因其比能量密度低(150-200瓦时/公斤)、电动汽车的续航里程短、原材料购置成本高、电池自然等问题使其无法完全替代燃油汽车。因此，发展安全、高能量密度、低成本电池体系迫在眉睫。
金属硫电池具有极高的理论能量密度，被视为最具前景的下一代储能电池体系之一。不同于传统的锂离子材料，单质硫(S8)中每个硫原子(S)可以得到两个电子从而实现1675mAh/g的电容量。但是，目前金属硫电池还存在循环过程中稳定性差的问题，限制了金属硫电池的应用。
鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池，以改善上述技术问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本发明提供了一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其包括：
将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。
第二方面，本发明还提供了一种氮掺杂碳纳米材料，其由上述氮掺杂碳纳米材料的制备方法制备得到。
第三方面，本发明还提供了一种金属硫电池正极，其包括集流体，以及设置于集流体表层的正极活性材料，所述正极活性材料包括上述氮掺杂碳纳米材料。
第四方面，本发明还提供了一种功能性隔膜，其包括商业化隔膜以及上述氮掺杂碳纳米材料；
可选地，商业化隔膜为玻璃纤维隔膜；
可选地，功能性隔膜主要由以下步骤得到：将氮掺杂碳纳米材料的均匀分散液在分散于玻璃纤维隔膜上，干燥，得到所述功能性隔膜。
第五方面，本发明还提供了一种钾硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为钾片。
可选地，电解液为KTFSI的DEG/DME溶液。
第五方面，本发明还提供了一种锂硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为锂片。
可选地，电解液为LiTFSI的DOL/DME溶液。
本发明具有以下有益效果：通过采用聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化制备得到的氮掺杂碳纳米材料材料，高含量氮的均匀分布以及复合材料中的多孔结构提供了丰富的催化位点，实现了催化剂的高效吸附催化特性；该氮掺杂碳纳米材料材料可用于金属硫电池硫正极的载体材料和/或功能性隔膜的修饰材料共同作用于金属硫电池，使得金属硫电池表现出优异的电化学性能，为金属硫电池的进一步发展提供了理论基础和技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例1、2、3制备材料的XRD图；
图2为本发明实施例1制备材料的SEM图；
图3为本发明实施例1制备材料的Mapping图；
图4为本发明实施例1、2、3制备材料的Raman图；
图5为本发明实施例2制备材料的SEM图；
图6为本发明实施例3制备材料的SEM图；
图7为本发明实施例1、2、3制备电池的循环性能图；
图8为本发明实施例1制备电池的比容量电压图；
图9为本发明实施例4制备电池的循环性能图；
图10为本发明对比例1制备电池的比容量电压图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；本申请所涉及的“多个”是指大于或者等于两个。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
下面对本发明提供的一种氮掺杂碳纳米材料及其制备方法、金属硫电池正极、功能性隔膜以及钾硫电池和锂硫电池进行具体说明。
发明人经过研究发现，目前造成金属硫电池在循环过程中稳定性差的原因主要包含以下几个方面：第一，活性物质硫及反应产物硫化钾低的电导率导致低硫的利用率、反应过程中可溶性多硫化物严重的穿梭效应、以及金属钾和锂负极表面形成钝化层而影响金属的活性等导致了金属硫电池差的循环稳定性。
鉴于此，发明人创造性的提出了一种高氮含量的高导电性碳即一种氮掺杂碳纳米材料，该氮掺杂碳纳米材料改善了活性物质硫及放电产物的导电性，并且高且广的氮分散可有效锚定反应过程中可溶性的多硫化物，有效抑制其穿梭效应，进而使得金属硫电池表现出优异的电化学性能，为金属硫电池的实际应用提供了理论基础和技术支撑。具体方案如下：
第一方面，本发明的一些实施方式提供了一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其包括：将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。即将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下高温处理。
通过以上方法可以使得高含量氮能够均匀分布并且形成的复合材料中具有多孔结构，其提供了丰富的催化位点，实现了催化剂的高效吸附催化特性。因此，该氮掺杂碳纳米材料材料可用于金属硫电池硫正极的载体材料和/或功能性隔膜的修饰材料共同作用于金属硫电池，使得金属硫电池表现出优异的电化学性能。
具体地，上述制备方法包含以下步骤：将对苯二甲醛、三聚氰胺和氧化石墨烯在一定条件下聚合得到聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料，以及将前合成的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性气氛条件下碳化。
需要说明的是，惰性环境为惰性气体条件下，惰性气体包括但不限于氮气或氩气，优选氮气。其他实施方式中，也可以在真空环境中进行。
进一步地，一些实施方式中，聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料主要由以下步骤制备：将三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯在有机溶剂中进行反应。
具体地，反应温度为175℃～200℃，更优选180℃，反应时间为48h～96h，优选72h。在此温度范围内，可以使得三种物质之间充分反应聚合形成复合材料。
示例性地，有机溶剂包括但不限于二甲基亚砜。其中，三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：(0.1～0.3)，更优选地，三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：0.2。
一些实施方式中，三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯的反应为油浴反应。油浴过程可以使得反应更均匀，反应温度也更好控制。即将对苯二甲醛、三聚氰胺和氧化石墨烯在有机溶剂中惰性气体保护、一定油浴温度条件下反应，后通过分离得到聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料。
一些实施方式中，在升高反应温度之前，对苯二甲醛和三聚氰胺首先在有机溶剂中混合溶解，待上述反应物彻底溶解，有机溶液变澄清后，再向含有对苯二甲醛和三聚氰胺的溶液中加入氧化石墨烯；
优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的反应在惰性环境下进行；
为了使得原料之间能够混合均匀，一些实施方式中，对苯二甲醛、三聚氰胺和氧化石墨烯的混合过程均在室温磁力搅拌惰性气体氮气保护条件下进行。
一些实施方式中，反应结束后的分离为真空抽滤分离。可选地，对抽滤分离后的产物进行洗涤，优选洗涤3～4次，以提高产品的纯度。
具体地，一些实施方式中，使用丙酮反复洗涤3次～4次，优选3次；随后使用四氢呋喃反复洗涤3次～4次，优选3次；最后使用二氯甲烷反复洗涤3次～4次，优选3次。
进一步地，对离心分离后的产物进行干燥；优选地，干燥是将所述洗涤后的产物在60～80℃下真空干燥12～24h，得到聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料。
进一步地，一些实施方式中，还包括将干燥后得到的聚合物@氧化石墨烯材料进行研磨，研磨时间为40min以上，以确保形成的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料均匀分散不团聚等。
承上述，将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料进行碳化处理的温度为800℃～1000℃，例如，可选择碳化温度为800℃、820℃、850℃、870℃、900℃、930℃、950℃、960℃、980℃或1000℃等。
一些实施方式中，进行所述碳化处理是在800℃～1000℃的温度下保温1h以上，优选1～2h。
进一步地，进行碳化处理时，升温速率为5～10℃/min，优选5℃/min。一些实施方式中，碳化处理在管式炉中进行。
本发明的一些实施方式还提供了一种氮掺杂碳纳米材料，其由上述任一实施方式的氮掺杂碳纳米材料的制备方法制备得到。
本发明的一些实施方式还提供了一种金属硫电池正极，其包括集流体，以及设置于集流体表层的正极活性材料，正极活性材料包括上述氮掺杂碳纳米材料。
具体地，一些实施方式中，正极活性材料包括氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚偏氟乙烯，其中，氮掺杂碳纳米材料/硫混合物为氮掺杂碳纳米材料和升华硫通过熔融盐方法混合得到。可选地，氮掺杂碳纳米材料和所述升华硫的比例质量比为2～4：7，更优选3:7，氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为6～8：1～3：0.5～1.5，例如可为7：2：1。
进一步地，金属硫电池正极由氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚四氟乙烯的有机分散液均匀涂覆到集流体上得到；其中，集流体可选择为铝箔。
本发明的一些实施方式还提供了一种功能性隔膜，其包括商业化隔膜以及上述氮掺杂碳纳米材料。
其中，商业化隔膜包括但不限于玻璃纤维隔膜。
具体地，功能性隔膜主要由以下步骤得到：将氮掺杂碳纳米材料的均匀分散液在分散于玻璃纤维隔膜上，干燥，得到功能性隔膜。
进一步地，功能性隔膜由以下步骤制备：首先将氮掺杂碳纳米材料分散于乙醇溶液中，超声分散2h，后取均匀的溶液用真空抽滤的方式使氮掺杂碳纳米材料附着于玻璃纤维隔膜上，后置于真空烘箱中干燥12h，得到上述功能性隔膜。
本发明的一些实施方式还提供了一种钾硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为钾片。
一些实施方式中，该钾硫电池的电解液可为KTFSI的DEG/DME溶液。
本发明的一些实施方式还提供了一种锂硫电池，其包括负极、电解液以及上述金属硫电池正极和上述功能性隔膜，其中，负极为锂片。
一些实施方式中，该锂硫电池的电解液可为LiTFSI的DOL/DME溶液。DOL/DME溶液中，DOL和DME体积比可为1：1，2wt％的硝酸锂作为添加剂。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。以下实施例与对比例中所采用的物质或者仪器等均能够通过商业途径购得，以下实施例中组合物的总重量相同，除特殊说明外，以下实验均在25℃，常压下完成。
实施例1
本实施例提供的一种氮掺杂碳纳米材料(即一种高氮碳NC材料)的制备方法，包括步骤如下：
(1)制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
将1.0205g对苯二甲醛和0.663g的三聚氰胺加入到31ml的二甲基亚砜溶液中，在磁力搅拌氮气保护条件下逐渐形成澄清溶液A；随后将0.2g的氧化石墨烯加入到上述溶液A中，继续保持搅拌0.5h，得到均匀的混合溶液，随后上述溶液在180℃条件下反应3天，得到产物，最后使用抽滤的方法分离产物和原液并用丙酮、四氢呋喃和二氯甲烷分别各洗涤3次得到黑色产物；将制得的黑色产物于60℃的真空干燥箱中干燥12h，得到聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
将步骤(1)制得的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料于玛瑙研钵中研磨20min，在氮气气氛的管式炉中，按照5℃/min的升温速率于800℃下退火2h，得到碳化的高氮碳材料(N-800)；其X射线衍射图谱如图1所示，形貌如图2所示，各元素分布图如图3所示，Raman谱图如图4，各元素含量如表1所示。
X射线衍射图可以看到高氮碳NC材料中除了碳材料的特征峰外无其他杂质的峰、从扫描电子显微镜图可以看到样品为均匀的片状碳材料、从扫描电子能谱图中可以看到样品中N、C元素的均匀分布，从元素含量分布表可以看到NC-800中氮的含量为14.3wt％。
电化学性能测试
将该实施例制得的高氮碳NC材料用作钾硫电池的硫正极载体材料，采用物理熔融的方法制备钾硫电池正极。
钾硫电池正极：高氮碳/硫、活性碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为7：2：1混合研磨均匀，加入氮甲基吡咯烷酮于搅拌至均匀的糊状，得到均匀的混合物。随后将混合物涂覆在铝箔上，放入真空烘箱中60℃、12h，得到钾硫电池正极。
功能性隔膜：将上述高氮碳NC材料置于乙醇中，随后超声分散2h后使用真空抽滤使得高氮碳NC材料均匀的分散于玻璃纤维隔膜上，最后置于真空烘箱中60℃、12h，得到功能性隔膜。
电池：选择厚度为0.2mm的金属钾片作为负极，制得的电极作为正极，功能性玻璃纤维为隔膜，5M KTFSI的DEGDME溶液为电解液，组装电池进行电化学性能测试。
上述钾硫电池在800mA g-1的电流密度下的电化学性能如图7和图8所示。
实施例2
本实施例提供的一种氮掺杂碳纳米材料(即一种高氮碳NC材料)的制备方法，包括步骤如下：
(1)制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
将1.0205g对苯二甲醛和0.663g的三聚氰胺加入到31ml的二甲基亚砜溶液中，在磁力搅拌氮气保护条件下逐渐形成澄清溶液A；随后将0.2g的氧化石墨烯加入到上述溶液A中，继续保持搅拌0.5h，得到均匀的混合溶液，随后上述溶液在180℃条件下反应3天，得到产物，最后使用抽滤的方法分离产物和原液并用丙酮、四氢呋喃和二氯甲烷洗涤3次得到黑色产物；将制得的黑色产物于60℃的真空干燥箱中干燥12h，得到聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
(2)将步骤(1)制得的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料于玛瑙研钵中研磨20min，在氮气气氛的管式炉中，按照5℃/min的升温速率于900℃下退火2h，得到碳化的高氮碳NC材料(N-900)；其X射线衍射图谱如图1所示，形貌如图5所示、Raman谱图如图2，各元素含量如表1所示。
电化学性能测试
将该实施例制得的高氮碳材料用作钾硫电池的硫正极载体材料，采用熔融盐的方法制备钾硫电池正极。
钾硫电池正极：高氮碳/硫、活性碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为7：2：1混合研磨均匀，加入氮甲基吡咯烷酮于搅拌至均匀的糊状，得到均匀的混合物。随后将混合物涂覆在铝箔上，放入真空烘箱中60℃、12h，得到钾硫电池正极。
功能性隔膜：将上述高氮碳NC材料置于乙醇中，随后超声分散2h后使用真空抽滤使得高氮碳NC材料均匀的分散于玻璃纤维隔膜上，最后置于真空烘箱中60℃、12h，得到功能性隔膜。
电池：选择厚度为0.2mm的金属钾片作为负极，制得的电极作为正极，功能性玻璃纤维为隔膜，5M KTFSI的DEGDME溶液为电解液，组装电池进行电化学性能测试。
上述钾硫电池在800mA g-1的电流密度下的电化学性能如图7所示。
实施例3
本实施例提供的一种氮掺杂碳纳米材料(即一种高氮碳NC材料)的制备方法，包括步骤如下：
(1)制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
将1.0205g对苯二甲醛和0.663g的三聚氰胺加入到31ml的二甲基亚砜溶液中，在磁力搅拌氮气保护条件下逐渐形成澄清溶液A；随后将0.2g的氧化石墨烯加入到上述溶液A中，继续保持搅拌0.5h，得到均匀的混合溶液，随后上述溶液在180℃条件下反应3天，得到产物，最后使用抽滤的方法分离产物和原液并用丙酮、四氢呋喃和二氯甲烷洗涤3次得到黑色产物；将制得的黑色产物于60℃的真空干燥箱中干燥12h，制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
(2)将步骤(1)制得的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料于玛瑙研钵中研磨20min，在氮气气氛的管式炉中，按照5℃/min的升温速率于1000℃下退火2h，得到碳化的高氮碳NC材料(N-1000)；其X射线衍射图谱如图1所示，形貌如图6所示、Raman谱图如图3，各元素含量如表1所示。
电化学性能测试
将该实施例制得的高氮碳NC材料用作钾硫电池的硫正极载体材料，采用熔融盐的方法制备钾硫电池正极。
钾硫电池正极：高氮碳/硫、活性碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为7：2：1混合研磨均匀，加入氮甲基吡咯烷酮于搅拌至均匀的糊状，得到均匀的混合物。随后将混合物涂覆在铝箔上，放入真空烘箱中60℃、12h，得到钾硫电池正极。
功能性隔膜：将上述高氮碳NC材料置于乙醇中，随后超声分散2h后使用真空抽滤使得高氮碳NC材料均匀的分散于玻璃纤维隔膜上，最后置于真空烘箱中60℃、12h，得到功能性隔膜。
电池：选择厚度为0.2mm的金属钾片作为负极，制得的电极作为正极，功能性玻璃纤维为隔膜，5M KTFSI的DEGDME溶液为电解液，组装电池进行电化学性能测试。
上述钾硫电池在800mA g-1的电流密度下的电化学性能如图5所示。
表1实施例1、2、3制备材料的元素含量
Figure BDA0003871262360000111
Figure BDA0003871262360000121
实施例4
本实施例提供的一种氮掺杂碳纳米材料(即一种高氮碳HNC材料)的制备方法，包括步骤如下：
(1)制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
将1.0205g对苯二甲醛和0.663g的三聚氰胺加入到31ml的二甲基亚砜溶液中，在磁力搅拌氮气保护条件下逐渐形成澄清溶液A；随后将0.2g的氧化石墨烯加入到上述溶液A中，继续保持搅拌0.5h，得到均匀的混合溶液，随后上述溶液在180℃条件下反应3天，得到产物，最后使用抽滤的方法分离产物和原液并用丙酮、四氢呋喃和二氯甲烷洗涤3次得到黑色产物；将制得的黑色产物于60℃的真空干燥箱中干燥12h，制得聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料；
(2)将步骤(1)制得的聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料于玛瑙研钵中研磨20min，在氮气气氛的管式炉中，按照5℃/min的升温速率于800℃下退火2h，得到碳化的高氮碳NC材料；其X射线衍射图谱如图1所示，形貌如图6所示、Raman谱图如图3，各元素含量如表1所示。
电化学性能测试
将该实施例制得的高氮碳NC材料用作锂硫电池的硫正极载体材料，采用熔融盐的方法制备锂硫电池正极。
锂硫电池正极：高氮碳/硫、活性碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为8：1：1混合研磨均匀，加入氮甲基吡咯烷酮于搅拌至均匀的糊状，得到均匀的混合物。随后将混合物涂覆在铝箔上，放入真空烘箱中60℃、12h，得到锂硫电池正极。
电池：选择厚度为0.2mm的金属锂片作为负极，制得的电极作为正极，商业化pp隔膜作为隔膜，1M LiTFSI的DOL/DME(体积比为1：1)添加剂为2wt％的硝酸锂溶液为电解液，组装电池进行电化学性能测试。
上述锂硫电池在0.2C的电流密度下的电化学性能如图9所示。
对比例1
本对比例1提供的商业化碳/硫的制备方法，包括步骤如下：
商业化碳(CC)与升华硫充分研磨0.5h后放入聚四氟乙烯中，然后在体系中充满氩气气氛并且置于鼓风烘箱中155℃、12h后再进行研磨，最后得到含70％硫组分的碳/硫混合物。
钾硫电池正极：商业化碳/硫、活性碳、聚偏二氟乙烯按照质量比为7：2：1混合研磨均匀，加入氮甲基吡咯烷酮于搅拌至均匀的糊状，得到均匀的混合物。随后将混合物涂覆在铝箔上，放入真空烘箱中60℃、12h，得到钾硫电池正极。
电池：选择厚度为0.2mm的金属钾片作为负极，制得的电极作为正极，商业化碳修饰的玻璃纤维为隔膜，5M KTFSI的DEGDME溶液为电解液，组装电池进行电化学性能测试。
上述钾硫电池在800mA g-1的电流密度下的电化学性能如图10所示。参见图7、图8和图10，图7为本发明实施例1、2、3样品的电化学性能图比较，通过图7可看出，电池在800mAg-1的电流密度下循环100圈之前，NC-1000>NC-900>＝NC-800；表明碳化温度越高，碳化程度越好，材料的导电性越好，电池首圈的性能越好，然而，在随后的长循环中100圈至300圈内，NC-800>＝NC-900>NC-1000，表明随着温度的增加，材料中的氮含量逐渐降低，随着氮含量的减少，电池循环性能逐渐降低。图8和图9分别为实施例1和对比例1的比容量与电压图，从图中可以看出，普通商业化碳材料作为硫正极和隔膜修饰材料，容量衰减很快，而高氮含量的碳材料显示出更高的充放电容量和更好的循环性能。
上述锂硫电池电化学性能如图9所示。在电流密度0.2C下，首次充放电容量为1422mA hg-1,100圈后，容量保持在931mA hg-1，具有一个很稳定的循环性能，并且，库伦效率接近100％。高氮含量的碳材料提高了硫正极的导电性。由于高的氮含量并且均匀地分布在碳薄片上，大量并均匀的活性位点不仅物理吸附可溶性多硫化锂，还可以促进多硫化锂的转化。此材料的设计理念和作用机理为锂硫电池正极载体的设计提供了非常有价值的参考，并且，此材料具有很好的实际应用前景。
综上所述，此高氮碳NC/硫正极和高氮碳NC修饰的隔膜组装的电池表现出优异的电化学性能。为钾硫电池和锂硫电池的实际应用提供了理论基础和技术支撑。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氮掺杂碳纳米材料的制备方法，其特征在于，其包括：
将聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料在惰性环境下进行碳化处理。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料由三聚氰胺、对苯二甲醛和氧化石墨烯反应生成；
优选地，所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料主要由以下步骤制备：将所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯在有机溶剂中进行反应；
优选地，反应温度为175℃～200℃，更优选180℃，反应时间为48h～96h，优选72h；
优选地，所述有机溶剂为二甲基亚砜；
优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：(0.1～0.3)，更优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的质量比为0.663：1.0205：0.2；
优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的反应为油浴反应；
优选地，先将所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛溶解于所述有机溶剂后，再加入所述氧化石墨烯，混合均匀后反应；、
优选地，所述三聚氰胺、所述对苯二甲醛和所述氧化石墨烯的反应在惰性环境下进行；
优选地，将反应后的溶液进行固液分离，并对固体进行洗涤；
优选地，还包括对反应生成的所述聚对苯二甲醛三聚氰胺@氧化石墨烯复合材料进行研磨。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述碳化处理的温度为800℃～1000℃；
优选地，进行所述碳化处理是在800℃～1000℃的温度下保温1h以上，优选1～2h；
优选地，进行所述碳化处理时，升温速率为5～10℃/min，优选5℃/min；
优选地，所述碳化处理在管式炉中进行。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述惰性环境为惰性气体条件下；
优选地，惰性气体为氮气或氩气，优选氮气。
5.一种氮掺杂碳纳米材料，其特征在于，其由权利要求1～4任一项所述的制备方法制备得到。
6.一种金属硫电池正极，其特征在于，其包括集流体，以及设置于集流体表层的正极活性材料，所述正极活性材料包括权利要求5所述的氮掺杂碳纳米材料。
7.根据权利要求6所述的金属硫电池正极，其特征在于，所述正极活性材料包括氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚偏氟乙烯，其中，氮掺杂碳纳米材料/硫混合物为氮掺杂碳纳米材料和升华硫通过熔融盐方法混合得到；
优选地，所述氮掺杂碳纳米材料和所述升华硫的比例质量比为2～4：7，更优选3:7，所述氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚偏氟乙烯的质量比为6～8：1～3：0.5～1.5，优选7：2：1；
优选地，所述金属硫电池正极由氮掺杂碳纳米材料/硫混合物、导电炭黑和聚四氟乙烯的有机分散液均匀涂覆到集流体上得到；
优选地，集流体为铝箔。
8.一种功能性隔膜，其特征在于，其包括商业化隔膜以及如权利要求5所述的氮掺杂碳纳米材料；
优选地，商业化隔膜为玻璃纤维隔膜；
优选地，所述功能性隔膜主要由以下步骤得到：将所述氮掺杂碳纳米材料的均匀分散液在分散于玻璃纤维隔膜上，干燥，得到所述功能性隔膜。
9.一种钾硫电池，其特征在于，其包括负极、电解液以及如权利要求6或7所述的金属硫电池正极和如权利要求8所述的功能性隔膜，其中，负极为钾片；
优选地，所述电解液为KTFSI的DEG/DME溶液。
10.一种锂硫电池，其特征在于，其包括负极、电解液以及如权利要求6或7所述的金属硫电池正极和如权利要求8所述的功能性隔膜，其中，负极为锂片；
优选地，所述电解液为LiTFSI的DOL/DME溶液。
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