基于生物质碳源可控制备氮掺杂碳纳米材料及其电化学性能研究

Energy storage and conversion adopting electrochemical method is an important development trend of modern green energy. And the research on advanced electrode materials is the core of field of electrochemical energy. The project aims at developing a new method of preparing N-doped carbon nanomaterials controllably using biomass. Based on the full knowledge to the characteristics of structure, composition and pyrolysis of the basic biomass components such as cellulose etc, the sole biomass components and multi-biomass components were doped with nitrogen under high temperature. The reaction kinetics of various systems and the correlationships between the morphology, structure and composition of carbon sources and those of products were researched systematically. Thus the common laws of preparing N-doped carbon namomaterials using carbon source constructed by sole biomass components were obtained. In addition, some typical natural biomsses and multi-biomass simulative systems were doped with nitrogen under high temperature and the reaction kinetics, morphology, structure, composition and electrochemical property of the N-doped nanomaterials were compared. And the specific laws of preparing N-doped carbon namomaterials using natural biomasses were also discussed. Therefore, N-doped carbon nanomaterials with expected morphology, structure, composition and electrochemical property can be prepared controllably through the meticulous design of the carbon source constructed by sole biomass components, rational choice and control of nitrogen source and heat treatment conditions.

利用电化学方法进行能源储存与转化是当今绿色能源发展的重要方向，而先进电极材料的研究则是电化学能源领域的核心内容。本项目旨在发展一种利用生物质可控制备氮掺杂碳纳米材料的新方法。基于对构成生物质的基本组分如纤维素等的结构、组成特点和热分解特性的充分认识，项目拟采用高温热处理方法，分别对单元生物质、多元生物质碳源进行掺氮处理，通过对不同体系反应动力学规律及合成物与碳源在形貌、结构及组成方面的相关性的系统研究，寻找由单元生物质构建碳源合成氮掺杂碳纳米材料的共性规律。同时通过对以典型天然生物质和以多元生物质模拟体系为碳源热处理掺氮的反应动力学规律及所制备氮掺杂材料形貌、结构、组成和电化学性能的比较研究，探讨天然生物质制备氮掺杂碳纳米材料的特性规律。最终实现通过对由单元生物质构成的碳源的精心设计以及对氮源和热处理条件的合理选择与控制，可控制备出具有预期形貌、结构、组成和电化学性能的氮掺杂碳纳米材料。

电化学能量储存与转化装置的研究已成为当今新能源领域的主流方向，而发展这类装置的关键是研究和开发新型的电极材料。本项目探索了如何利用生物质碳源合成目标氮掺杂碳纳米材料，并将其有效应用于电化学能源储存与转化等领域。项目基于对构成生物质的基本组分如淀粉、纤维素等的结构、组成特点和热分解特性的充分认识，以纤维素、淀粉、蛋白等单元或多元生物质，荔枝壳、玉米芯、猪骨等植物、动物生物质为碳源，以三聚氰胺、双氰胺、尿素等为氮源，采用高温热处理的方法进行掺氮处理，制备了一系列氮掺杂碳纳米材料。采用扫描电镜、透射电镜、X-光电子能谱、X-射线衍射、热重分析等研究了所合成氮掺杂碳纳米材料的微观形貌、结构与组成。采用循环伏安、恒电流充放电等电化学方法研究了所合成氮掺杂碳纳米材料作为电化学超级电容器材料、氧还原电催化材料、锂离子电池负极材料、锂-硫电池正极材料等的性能。通过对碳源、氮源和热处理条件的合理选择与控制可制备出目标氮掺杂碳纳米材料。所制备的MnO@NLEFC比容量高，循环性能稳定，而且具有优异的倍率性能。作为锂离子电池负极在0.1、0.2、0.5、1、2、5和10 A g-1电流密度下，容量分别为808、735、607、560、523、499和443 mA h g-1，2 A g-1电流密度条件下1000次循环后的可逆容量为515.5 mAh g-1，在20 A g-1的超高电流密度下1000次循环后，它仍能提供309.2 mAh g-1的高可逆容量。MnOQD@CHNTs 作为锂离子电池负极，28.3 s 能完全充至392.8 mA h g-1，能量密度为585.3 Wh kg-1，功率密度为 74.5 kW kg-1；作为钠离子电池负极，在 2 A g-1电流密度条件下1000次循环后的可逆容量为223.0 mAh g-1。这些材料在电化学能源储存与转化等领域具有良好的应用前景。项目的研究对于新型氮掺杂碳纳米材料的合成与应用具有重要的指导和推动作用。