一种石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法及应用与流程

本发明属于新材料领域，具体涉及一种石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法及应用。

背景技术：

1、随着电化学储能技术的快速发展，人们对电化学储能技术提出了更高地要求。由于锂资源短缺以及高昂成本，促使钠离子电池产业飞速发展。钠离子电池在资源和成本上的优势被认为是锂离子电池的补充，并且被认为是大规模储能领域的理想器件之一。因此，开发和完善钠离子电池技术具有重要现实意义。电化学储能系统的性能主要取决于电极材料的性能，其中提升电极材料的性能是提升电化学储能技术的有效手段之一。高性能电极材料的开发对实现钠离子电池的商业化应用至关重要。其中负极材料作为钠离子电池的重要组成部分，其性质对钠离子电池性能具有重要影响。在负极材料方面，由于金属钠的危险性和钠枝晶的形成易导致液态电池的短路，带来安全隐患等问题，无法直接将钠金属作为负极应用于钠离子电池中。除此之外，由于石墨与钠的热力学不稳定性，导致石墨不具备储钠能力。在已报道的钠离子电池负极材料中，无定形碳材料以其相对较低的储钠电位，较高的储钠容量和良好的循环稳定性等优点而成为最具应用前景的钠离子电池负极材料。已报道的制备无定形碳材料的前驱体主要包括一些生物质、聚合物、树脂或有机化学品等，但这些前驱体价格较高，制备过程复杂，产碳率低，大大制约了无定形碳材料作为钠离子电池负极的大规模应用。煤作为一种常见的化石能源，其储量丰富、分布广泛、价格低廉，另外由于其主要由高度缩合的芳香结构组成，因而具有很高的碳含量，因此煤是制备碳材料的理想前驱体。然而由于其高度缩合结构导致其结构不易调控，不利于钠离子的存储。

2、因此，针对于现有技术不足，本发明利用廉价易得的煤为原料，结合石墨烯优异性质，提出一种操作简单、绿色环保且高效的石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供了一种石墨烯改性非均相无定形碳制备方法及应用。

2、为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法，包括以下步骤：

4、步骤一、将原始物料和改性剂混合均匀，在一定压力下，微波辅助处理一定时间，洗涤、过滤、干燥后得到前体物料；所述原始物料包括泥炭、褐煤、烟煤和无烟煤中的一种或多种的组合，优选烟煤；所述改性剂包括双氧水、硝酸、高锰酸钾、次氯酸钠和二氧化锰中的一种或多种的组合，优选硝酸；

5、步骤二、将前体物料、促进剂和石墨烯加入非均相物料中，充分搅拌后，在一定压力下，微波辅助处理一定时间，洗涤、过滤、干燥后得到改性前驱体；所述非均相物料包括煤焦油、乙烯焦油和煤沥青中的一种或多种的组合，优选煤焦油；

6、步骤三；改性前驱体在惰性气氛下经热处理后得到石墨烯改性非均相无定形碳。

7、进一步的，所述原始物料与改性剂的质量比为1～100:5，所述前体物料与石墨烯的质量比为1～50:1，所述前体物料与促进剂的质量比为1～100:5，所述前体物料与非均相物料的质量比为1～200:10。

8、进一步的，改性剂双氧水的摩尔浓度为0.6～6mol/l，硝酸的摩尔浓度为1～16mol/l。

9、进一步的，步骤一中，压力为0.1-5mpa，微波频率为10-10000w，微波处理时间为0.01～20h，干燥温度为30-300℃，干燥时间为1-30h；步骤二中，压力为0.1-5mpa，微波频率为10-10000w，微波处理时间为0.01～20h，干燥温度为30-300℃，干燥时间为1-30h。

10、进一步的，所述促进剂包括硫酸、磷酸、草酸、盐酸和对甲基苯磺酸中的一种或多种的组合，优选硫酸。

11、进一步的，促进剂硫酸的摩尔浓度为1～18.4mol/l，磷酸的摩尔浓度为1～15mol/l，草酸的摩尔浓度为0.2～1.45mol/l，盐酸的摩尔浓度为1～12mol/l。

12、进一步的，步骤三中，所述惰性气氛包括氮气、氩气和氦气中的一种或多种的组合，惰性气体流量为0.1～10l/min。

13、进一步的，步骤三中，所述热处理温度为800～1600℃，升温速率为1～20℃/min；热处理的时间为0.1～20h。

14、一种所述的制备方法制得的石墨烯改性非均相无定形碳。

15、进一步的，所述石墨烯改性非均相无定形碳层间距d002值为0.36-0.44nm。

16、一种所述的制备方法制得的石墨烯改性非均相无定形碳的应用。

17、进一步的，所述石墨烯改性非均相无定形碳作为钠离子电池、锂离子电池或钾离子电池的电极材料应用。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、首先，本发明提供了一种煤的高附加值利用方法，该制备方法耗时短，环境友好，操作简单，生产成本低，收率高；其次，石墨烯的加入不仅提高了材料的导电性，同时也抑制了材料表面芳香结构无序生长；最后，制备得到的石墨烯改性非均相无定形碳材料钠离子电池性能得到有效提升。

技术特征：

1.一种石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法，其特征在于,包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述原始物料与改性剂的质量比为1～100:5，所述前体物料与石墨烯的质量比为1～50:1，所述前体物料与促进剂的质量比为1～100:5，所述前体物料与非均相物料的质量比为1～200:10。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤一中，压力为0.1-5mpa，微波频率为10-10000w，微波处理时间为0.01～20h，干燥温度为30-300℃，干燥时间为1-30h；步骤二中，压力为0.1-5mpa，微波频率为10-10000w，微波处理时间为0.01～20h，干燥温度为30-300℃，干燥时间为1-30h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述促进剂包括硫酸、磷酸、草酸、盐酸和对甲基苯磺酸中的一种或多种的组合。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述惰性气氛包括氮气、氩气和氦气中的一种或多种的组合，惰性气体流量为0.1～10l/min。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，所述热处理温度为

7.一种权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法制得的石墨烯改性非均相无定形碳。

8.根据权利要求7所述的石墨烯改性非均相无定形碳，其特征在于：所述石墨烯改性非均相无定形碳层间距d002值为0.36-0.44nm。

9.一种权利要求1-6任一权利要求所述的制备方法制得的石墨烯改性非均相无定形碳的应用。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述石墨烯改性非均相无定形碳作为钠离子电池、锂离子电池或钾离子电池的电极材料应用。

技术总结
一种石墨烯改性非均相无定形碳的制备方法及应用，属于新材料领域。具体方案包括如下步骤：将原始物料加入改性剂中，在一定条件下，微波辅助处理后得到前体物料。将前体物料、促进剂和石墨烯加入非均相物料中，一定条件下，微波辅助处理后得改性前驱体。改性前驱体在惰性气体存在条件下经热处理后得到石墨烯改性非均相无定形碳。本发明优点在于提供了一种煤的高附加值利用方法，该制备方法耗时短，环境友好，操作简单，生产成本低，收率高。石墨烯的加入不仅提高了材料的导电性，同时也抑制了材料表面芳香结构无序生长，制备得到的石墨烯改性非均相无定形碳材料钠离子电池性能优异。

技术研发人员：刘旭亮,李权,陈广远,刘小妮,黄昌永,林子舜,李博
受保护的技术使用者：新疆汉行科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16