一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法

摘要

本发明公开了一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，将镍源和碳源混合充分研磨放入管式炉中，在氮气或惰性气体气氛下，以5‑20℃/min的升温速率匀速升温至500～700℃；待产物自然冷却进行收集，获得产物Ni/C；将产物Ni/C在硝酸中静置，腐蚀Ni金属单质，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管；本发明通过控制反应过程中的工艺条件，再配合不同金属催化剂催化碳纳米管生长，实现碳纳米管缺陷的增加，碳管的出现管壁坍缩，使电池结构更加稳定，提高电池的倍率与循环性能；过渡金属Ni原位催化生长的碳纳米管，可显著提升材料在充放电过程中的导电性和结构稳定性。

说明书

技术领域

本发明属于复合材料合成领域，具体涉及一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法。

背景技术

电化学储能技术的应用有效的解决了清洁能源的存储、利用和转换方面的问题，在未来具有广阔的发展前景。目前锂离子电池由于其本身优异的性能比如能量密度高、能量转换率高和安全性好等优点被广泛应用于电化学储能领域。但是随着锂离子电池相关研究的不断进行，锂离子电池的容量已经出现了难以提升的情况。为了满足不断发展的大型储能设备的需求，我们开始将目光转移到其他的电池体系。近年来，钠离子电池(SIBs)和钾离子电池(PIBs)因Na源和K源在地壳中丰度高(Na和K分别为2.36wt.％和2.09wt.％)，因而受到广泛的关注。尤其对于PIBs，K/K+的氧化还原电位(-2.93V)低于Na/Na+(-2.71V)，从而保证了储钾电池更高的工作电压和能量密度，有望成为新一代高能量密度和低成本电化学能储能系统。然而，由于PIBs具有较大的K+半径、较慢的反应动力学等特性，其应用仍然面临着极大的挑战。

碳质材料由于其具有可调节的微观结构，低成本和环境友好等特性，已成为钾离子电池(PIB)最有希望的阳极之一。其中碳纳米管是一种常见的碳材料，碳纳米管具有良好的石墨化结构，导电性能十分优异。更重要的是，钾离子可以嵌入到石墨层中形成KC8，就像锂离子一样可具有较大的比容量(279mA h g-1)，低工作电压平台(<0.5V)和较高的初始库伦效率(ICE)，所有这些都有助于PIB的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，实现碳纳米管缺陷的增加，使电池结构更加稳定，提高电池的倍率与循环性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种过渡金属Ni催化原位生长出管壁坍缩的碳纳米管的方法，包括以下步骤：

1)取镍源和碳源混合充分研磨，然后置于坩埚中放入管式炉中，在氮气或惰性气体气氛下，以5-20℃/min的升温速率匀速升温至500～700℃，达到反应温度后停止加热；在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)经步骤1)，待产物自然冷却进行收集，获得产物Ni/C；

3)将获得的产物Ni/C在硝酸中静置，腐蚀掉过多的Ni金属单质，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管。

进一步，所述镍源和碳源质量比为1：(1～4)。

进一步，所述镍源为分析纯的硫酸镍、氯化镍、硝酸镍、氨基磺酸镍、溴化镍或氢氧化亚镍。

进一步，所述碳源为尿素、三聚氰胺或葡萄糖。

进一步，所述硝酸浓度为0.5M、1M或3M。

进一步，所述步骤3)清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

进一步，所述坩埚为石英坩埚或氧化铝坩埚。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明通过控制反应过程中的工艺条件，再配合不同金属催化剂催化碳纳米管生长，实现碳纳米管缺陷的增加，在去除Ni金属单质的时候出现了大量的缺陷，而缺陷之间暴露出的键位相互作用导致结构发生变化，碳管出现管壁坍缩。在钾离子嵌入的过程中坍缩的管壁提供了更多的反应位点，并且由于碳管高度石墨化的结构可以有效地抑制充放电反应过程中的体积膨胀问题，使电池结构更加稳定，提高电池的倍率与循环性能。

2)本发明首先采用固相法实现过渡金属Ni催化碳纳米管，再通过酸洗掉过多的Ni金属单质，最后得到管壁坍缩的碳纳米管，增加大量缺陷。

3)本发明所制备的过渡金属Ni原位催化生长的碳纳米管，有高度的石墨化的管壁，有良好的电子传输路径和机械强度，可显著提升材料在充放电过程中的导电性和结构稳定性。

4)本发明所使用的原料廉价易得，制备方法简单，研究该材料结构对电化学储钾性能的影响，建立该材料在储钾过程中的构效机制，为拓展钾离子电池电极材料体系和性能的提升提供参考依据。

附图说明

图1为实施例1样品的扫描电镜图

图2为实施例1样品的钠离子电池循环性能图

具体实施方式

实施例1：

1)将1g硝酸镍、2g三聚氰胺在研钵中充分研磨，并将研磨后产物置于石英或氧化铝坩埚，并将坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的升温速率匀速升温至700℃，达到温度后停止加热，在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)待产物自然冷却收集得到产物Ni/C。

3)将获得的产物在浓度为3M的硝酸中静置，腐蚀掉大多数的镍金属单质，为产物2，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管，清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

将该样品在扫描电镜下进行观察，从图1中可以看出，产物为管径为200nm且出现管壁坍缩的碳管。将所得的产物制备成纽扣式钾离子电池，具体的封装步骤如下：将活性粉，导电剂(Super P)，粘接剂(PVDF)按照质量比为8:1:1的配比研磨均匀后，制成浆料，用涂膜器均匀地将浆料涂于铜箔上，然后在真空干燥箱80℃干燥12h。之后将电极片组装成钾离子电池，采用新威电化学工作站对电池进行恒流充放电测试，测试电压为0.01V-3.0V，将所得材料装配成为纽扣电池测试其钾离子电池负极材料性能，倍率性能如图2所示。

实施例2：

1)将2g硫酸镍、3g尿素研钵中充分研磨，并将研磨后产物置于石英或氧化铝坩埚，并将坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，以10℃/min的升温速率匀速升温至700℃，达到温度后停止加热，在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)待产物自然冷却收集得到产物Ni/C。

3)将获得的产物在浓度为1M的硝酸中静置，腐蚀掉大多数的Ni金属单质，为产物2，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管，清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

实施例3：

1)将2g氯化镍、2g葡萄糖研钵中充分研磨，并将研磨后产物置于石英或氧化铝坩埚，并将坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，以20℃/min的升温速率匀速升温至500℃，达到温度后停止加热，在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)待产物自然冷却收集得到产物Ni/C。

3)将获得的产物在浓度为0.5M的硝酸中静置，腐蚀掉大多数的Ni金属单质，为产物2，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管，清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

实施例4：

1)将1g氨基磺酸镍、4g葡萄糖研钵中充分研磨，并将研磨后产物置于石英或氧化铝坩埚，并将坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，以20℃/min的升温速率匀速升温至600℃，达到温度后停止加热，在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)待产物自然冷却收集得到产物Ni/C。

3)将获得的产物在浓度为0.5M的硝酸中静置，腐蚀掉大多数的Ni金属单质，为产物2，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管，清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。

实施例5：

1)将1g溴化镍或氢氧化亚镍、3g尿素研钵中充分研磨，并将研磨后产物置于石英或氧化铝坩埚，并将坩埚置于管式炉中，在氩气气氛下，以15℃/min的升温速率匀速升温至500℃，达到温度后停止加热，在氩气气氛下，将产物置于温度为0-80℃的低温冷阱中0.5～2h，快速降温至冷阱温度；

2)待产物自然冷却收集得到产物Ni/C。

3)将获得的产物在浓度为0.5M的硝酸中静置，腐蚀掉大多数的Ni金属单质，为产物2，将分离的固体产物进行清洗，即得到管壁坍缩的碳纳米管，清洗时使用去离子水和乙醇抽滤各洗三次，洗至中性。