一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片制备方法及其锌离子储能应用

1.本发明是关于多孔碳材料技术，特别是关于一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

2.多孔碳材料是目前商用储能器件电极材料中应用最广泛的材料之一。
3.碳材料具有来源广、廉价、制备工艺简单，绿环保等诸多优点，因而常被用来储能用电极材料。
4.然而，碳材料一般具有亲水性差，导致电极和电解液的接触界面减小、界面电阻较大。此外这些生物质碳材料的孔结构不够发达且块体碳材料间独立存在且不连续，限制了电化学活性位点的数量，增加了电子在材料中的转移阻力，因而使得表现出较低的电容性能。这也进一步限制了碳材料在储能领域的发展，因为其制成的储能器件仅具有较低的能量密度，限制了碳材料。
5.因此，对碳材料进行杂原子掺杂(如n、s、p、b等)可以优化材料的电化学性能，较大幅提高碳材料比电容值；改变碳材料中碳原子周围的电子分布，提高材料导电性，降低电极材料与电解液发生电化学反应的能垒，同时杂原子的引入，还可以增加额外的赝电容，进而提高碳材料的能量储存能力。
6.目前以纤维素为前驱体制备两种元素共掺杂的碳材料己有部分研究，cn109019554a涉及将平菇原料与氮磷无机盐研磨混合后进行热处理得具有双杂原子元素掺杂，材料比表面积较小，其过程需要较长时间的活化，纯化材料涉及到酸的使用；cn108231425a公开了通过将琼脂、大孔模板、氮原子掺杂剂、磷原子掺杂剂与水混合加热，冷却得到凝胶，再经过冷冻干燥，碳化，使大孔模板形成多级孔结构，再经过酸洗、水洗及干燥制得氮磷共掺杂多孔碳，制备过程复杂，模板的去除涉及到酸的使用；cn110683538a公开了以多氨基分子水溶液在低温、搅拌条件下加入多聚磷酸反应，得到胺基聚磷酸盐，在高温条件，胺基聚磷酸盐通过原位自活化过程实现造孔。胺基聚磷酸盐作为碳、氮、磷源，在高温条件下得到氮磷共掺杂分级多孔碳，但是该案中的胺基聚磷酸盐在高温过程中可能会产生有毒气体，污染环境且产生安全隐患。
7.公开于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，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

8.为了克服现有分级多孔碳材料的制备方法不足，本发明提供一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片及其制备方法：该方法将木质素溶解在酒精中，然后将cacl2溶液分散到木质素酒精溶液中搅拌1，再加入k2co3溶液搅拌；其中cacl2和k2co3将反应生成caco3和kcl；在溶液中caco3作为模板、kcl作为化学活化剂；将混合物干燥后的产物在惰性气氛下
碳化活化后得到具有高比表面积及孔结构发达的碳材料；之后，通过硝酸氧化在碳纳米片表面产生丰富的含氧官能团。
9.本发明的技术方案是，首先提供了一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片，其为长宽尺寸在1-2μm范围的片状结构，比表面积在900-1100m2g-1
范围内，其中的氮元素来源于碳前躯体本身，氧含量在4-21at.％范围内。
10.本发明同时提供了上述富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：
11.步骤一：将木质素混合在酒精中，搅拌至木质素完全溶解，得到木质素酒精溶液；其中酒精作为溶剂能够很好地溶解木质素，使木质素碳前躯体以液态的形式与其后加入的模板剂和活化剂充分混合，通过限域作用确保最终获得的碳材料具有大的片状形貌；
12.步骤二、将cacl2溶液加入到木质素酒精溶液中搅拌，再加入k2co3溶液搅拌，得到混合溶液；
13.步骤三：将步骤二所得混合溶液置于鼓风干燥箱中干燥，得到褐混合物；
14.步骤四：将步骤三中所得的产物在管式炉中加热煅烧后获得黑产物，使用盐酸对所获得的黑产物进行洗涤，得到洗涤混合物；
15.步骤五：将步骤四中的洗涤混合物使用蒸馏水进行过滤洗涤至滤液ph值为中性，将所得滤渣放置鼓风干燥箱干燥，然后研磨成粉状过筛得到木质素基多孔碳纳米片；碳纳米片的产生是由于caco3颗粒之间产生的限域作用使得碳前躯体被限制在颗粒与颗粒的间隙之间，从而产生了片状的形貌。
16.步骤六：将得到木质素基多孔碳纳米片与硝酸混合，在水热反应釜中氧化处理，得到富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片。
17.进一步的，上述步骤二中：cacl2溶液中cacl2与k2co3溶液中k2co3的摩尔比范围为：1/1；在高温条件下，kcl作为活化剂能够产生钾离子，与木质素发生反应生成碳酸钾，刻蚀原料表面，形成孔状结构，随后热解成氧化钾和二氧化碳，二氧化碳的释放，进一步扩大了孔容，增大了比表面积，最终形成多孔状的微观形貌。只有当cacl2与k2co3物质量之比为1/1时才能保证二者完全反应生成确保caco3和kcl，从而确定kcl为活化剂；木质素与cacl2和k2co3之和的质量比为：(1：5)-(1：3)，采用这一质量比范围制备的碳材料微观孔结构最佳，比表面积最大，有利于提升储电性能。
18.进一步的，上述步骤二中，加入cacl2溶液和加入k2co3溶液各自搅拌的时间均为为0.5h-1.5h；所述步骤三中干燥的温度为70-90℃，干燥时间为24h。
19.进一步的，上述步骤四中：煅烧的温度条件为：以5℃/min升温速率升温至850℃，保温1h；使用盐酸进行洗涤的方法为：将褐产物浸渍在浓度2m的盐酸中，搅拌12小时。黑产物进行洗涤的目的是去除模板剂碳酸钙和活化剂氯化钾。
20.进一步的，上述步骤五中：干燥的条件为：在110℃下干燥12h；所述过筛是指过500目筛。
21.进一步的，上述步骤六中：硝酸的浓度15m；硝酸与木质素基多孔碳纳米片的摩尔比为：(24：1)-(48：1)；其中使用不同量的硝酸对所获材料表面含氧官能团的量影响较大。当硝酸与木质素基多孔碳纳米片的摩尔比为24：1时，所获多孔碳表面含氧量较少，对材料电化学储电性能提升有限。当硝酸与木质素基多孔碳纳米片的摩尔比为36：1时，其表面含
k2co3搅拌1h(其中木质素质量/(cacl2质量+k2co3质量＝1/3))。
49.步骤二：将步骤一中混合溶液在80℃的鼓风干燥箱中干燥，得到褐混合物。
50.步骤三：将步骤二中所得的产物在管式炉中加热至在850℃惰性气氛下煅烧1h，经过酸洗水洗后得到木质素基多孔碳纳米片。
51.步骤四：将步骤三中所得到的木质素基多孔碳纳米片0.05g与10ml，15m硝酸和10ml水混合后转至50ml水热反应釜中，在60℃下反应3h。洗涤干燥后获得氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片材料(olck3)。
52.与实施例1同样的电极制备方法，olck3样品在相同电流密度下的能量密度下降，且在相同能量密度下功率密度减小，这主要归因于其相对olck4较小的比表面积、孔径和孔容。相对不发达的微观孔结构是由于活化剂和模板剂的量不足导致碳前躯体未被充分活化刻蚀。从表2中可以看出，本实施例制备的olck3的氮含量为2.11at.％和氧含量为20.02at.％。
53.实施例3
54.一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法：
55.步骤一：将3g木质素溶解在20ml酒精中，搅拌至木质素完全溶解。然后将溶解在50ml水中的6.50g cacl2加入到木质素酒精溶液中搅拌1h，再加入溶解在50ml水中的8.50g k2co3搅拌1h(其中木质素质量/(cacl2质量+k2co3质量＝1/5))。
56.步骤二：将步骤一中混合溶液在80℃的鼓风干燥箱中干燥，得到褐混合物。
57.步骤三：将步骤二中所得的产物在管式炉中加热至在850℃惰性气氛下煅烧1h，经过酸洗水洗后得到木质素基多孔碳纳米片。
58.步骤四：将步骤三中所得到的木质素基多孔碳纳米片0.05g与10ml，15m硝酸和10ml水混合后转至50ml水热反应釜中，在60℃下反应3h。洗涤干燥后获得氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片材料(olck5)。
59.与实施例1同样的电极制备方法，olck5样品在相同电流密度下的能量密度下降，且在相同能量密度下功率密度减小，这主要归因于其相对olck4较小的比表面积、孔径和孔容。相对不发达的微观孔结构是由于活化剂和模板剂的量过多导致孔道结构坍塌。从表2中可以看出，本实施例制备的olck5的氮含量为2.07at.％和氧含量为20.47at.％。
60.实施例4
61.一种氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法：
62.步骤一：将3g木质素溶解在20ml酒精中，搅拌至木质素完全溶解。然后将溶解在50ml水中的5.4g cacl2加入到木质素酒精溶液中搅拌1h，再加入溶解在50ml水中的6.6g k2co3搅拌1h(其中木质素质量/(cacl2质量+k2co3质量＝1/4))。
63.步骤二：将步骤一中混合溶液在80℃的鼓风干燥箱中干燥，得到褐混合物。
64.步骤三：将步骤二中所得的产物在管式炉中加热至在850℃惰性气氛下煅烧1h，经过酸洗水洗后得到木质素基多孔碳纳米片(lck4)。
65.与实施例1同样的电极制备方法，lck4样品在相同电流密度下的能量密度下降，且在相同能量密度下功率密度减小，这归因于其表面含氧官能团较olck4少，不能够提供更多的额外赝电容，同时也不利于电子在电极材料中快速传导。从表2中可以看出，本实施例制备的lck4的氮含量为2.76at.％和氧含量为5.42at.％。
66.前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

技术特征：

1.一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片，其特征在于，其为长宽尺寸在1-2μm范围的片状结构，比表面积在900-1100m2g-1
范围内，其中的氮元素来源于碳前躯体本身，氧含量在4-21at.％范围内。2.如权利要求1所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将木质素混合在酒精中，搅拌至木质素完全溶解，得到木质素酒精溶液；步骤二、将cacl2溶液加入到木质素酒精溶液中搅拌，再加入k2co3溶液搅拌，得到混合溶液；步骤三：将步骤二所得混合溶液置于鼓风干燥箱中干燥，得到褐混合物；步骤四：将步骤三中所得的褐混合物在管式炉中加热煅烧后获得黑产物，使用盐酸对所获得的黑产物进行洗涤，得到洗涤混合物；步骤五：将步骤四中的洗涤混合物使用蒸馏水进行过滤洗涤至滤液ph值为中性，将所得滤渣放置鼓风干燥箱干燥，然后研磨成粉状过筛得到木质素基多孔碳纳米片；步骤六：将得到木质素基多孔碳纳米片与硝酸混合，在水热反应釜中氧化处理，得到富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片。3.如权利要求2所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤二中：cacl2溶液中cacl2与k2co3溶液中k2co3的摩尔比范围为1/1；木质素质量与cacl2和k2co3质量之和的比为：(1：5)-(1：3)。4.如权利要求2所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，加入cacl2溶液和加入k2co3溶液各自搅拌的时间均为为0.5h-1.5h；所述步骤三中干燥的温度为70-90℃，干燥时间为24h。5.如权利要求2所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤四中：煅烧的温度条件为：以5℃/min升温速率升温至850℃，保温1h；使用盐酸进行洗涤的方法为：将褐产物浸渍在浓度2m的盐酸中，搅拌12小时。6.如权利要求2所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤五中：干燥的条件为：在110℃下干燥12h；所述过筛是指过500目筛。7.如权利要求2所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述步骤六中：硝酸的浓度15m；硝酸与木质素基多孔碳纳米片的摩尔比为：(24：1)-(48：1)：水热反应的温度范围为：60℃；时间为：3h。8.如权利要求1所述的富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片的应用，其特征在于，应用于锌离子储能电极材料中。

技术总结

本发明公开了一种富氧氮自掺杂木质素基多孔碳纳米片及其制备方法和应用，纳米片的长宽尺寸在1-2μm范围的片状结构，比表面积在900-1100m2g-1

技术研发人员：

张以河 张韩方 刘嫣然 孙黎

受保护的技术使用者：

中国地质大学（北京）

技术研发日：

2022.08.09

技术公布日：

2022/11/2