O、P共掺杂的沥青基碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及碳材料，尤其是涉及一种o、p共掺杂的沥青基碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、沥青基无定型碳材料因其本征的高度无序结构、纳米尺度微晶堆积及丰富的分级孔隙，在钠离子和钾离子电池负极中展现出优异的储钠/储钾潜力。然而，传统制备工艺中，沥青在热处理初期易发生软化熔融与颗粒团聚，后续高温阶段又易引发芳香片层过度重排与石墨化倾向，导致所得碳材料趋向于软碳或类石墨结构：此类结构层间距小、无序度低、缺陷可控性差，难以提供充足且稳定的na+/k+嵌入位点及快速离子传输通道。

2、现有改性策略虽可在单一维度上改善性能，但仍普遍存在多重技术瓶颈：交联过度易造成导电性下降；硬模板残留或去除不彻底会引入杂质并加剧副反应；氧化程度难以精确控制易导致过度失重与结构坍塌；异原子掺杂常依赖高毒性试剂或复杂后处理，带来环境污染与成本攀升。

3、因此，亟需发展一种兼具结构稳定性、孔道可控性、表面化学可调性与工艺绿色性的多效协同调控新范式，以系统性实现碳骨架刚性固定、孔结构精准构筑、界面副反应有效抑制及高活性储钠位点定向富集。

4、有鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种o、p共掺杂的沥青基碳材料及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中上述技术问题中的至少一种。

2、为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

3、本发明的第一方面提供了一种o、p共掺杂的沥青基碳材料的制备方法，将沥青、氯化钠和含磷配体混合均匀，经氧化处理得到氧化前驱体，然后将所述氧化前驱体进行预碳化、洗涤和干燥，最后对干燥产物进行高温碳化，得到所述o、p共掺杂的沥青基碳材料。

4、进一步地，所述沥青、所述氯化钠和所述含磷配体的质量比为(1~5):(1~10):(0.5~3)。

5、优选地，所述氧化处理的过程包括：在第一氧化温度下进行第一氧化，然后升温至第二氧化温度下进行第二氧化。

6、优选地，所述第一氧化温度为230℃~270℃。

7、优选地，所述第一氧化的时间为1~6h。

8、优选地，所述第二氧化温度为280℃~330℃。

9、优选地，所述第二氧化的时间为4~8h。

10、进一步地，所述预碳化的温度为400~600℃，时间为2~4h。

11、优选地，所述高温碳化的温度为1000~1600℃，时间为1~6h。

12、优选地，所述高温碳化的温度为1200~1500℃，时间为2~4h。

13、进一步地，所述沥青的软化点为110~300℃，优选为240~260℃。

14、优选地，所述沥青包括石油沥青、煤沥青和天然沥青的至少一种，优选为石油沥青。

15、进一步地，所述沥青的d50粒径为1~10μm，优选为2~6μm。

16、优选地，所述氯化钠的粒径为20~100μm，优选为30~70μm。

17、进一步地，所述含磷配体为水溶性磷酸盐。

18、优选地，所述水溶性磷酸盐包括三偏磷酸钠、磷酸氢二钠、四偏磷酸钠、六偏磷酸钠和磷酸三钠的至少一种，优选为三偏磷酸钠。

19、进一步地，所述预碳化和/或所述高温碳化在惰性气氛下进行。

20、优选地，所述惰性气氛中的气体包括氮气和/或氩气，优选为氮气。

21、进一步地，所述氧化处理在马弗炉中持续通入含氧气体进行。

22、优选地，所述含氧气体为干燥空气。

23、本发明第二方面提供了一种o、p共掺杂的沥青基碳材料，采用第一方面所述的制备方法制备得到。

24、本发明第三方面提供了所述的o、p共掺杂的沥青基碳材料在金属离子电池负极中的应用。

25、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

26、本发明提供的制备方法，氯化钠在热处理过程中兼顾硬模板和限域催化作用，抑制沥青颗粒团聚，并诱导催化碳骨架形成适宜的孔结构和短程有序微晶结构；氧化处理则是通过引入含氧交联结构固定沥青骨架，抑制高温碳化过程中的熔融流动和芳香层过度重排；含磷配体进一步与氧化过程中的含氧官能团发生原位缩合交联，进一步调节碳骨架稳定性，在碳表面同步引入o、p双活性掺杂位点，优化电子分布结构、调控孔口化学环境。

27、鉴于上述制备方法所具有的优势，所制备得到的o、p共掺杂的沥青基碳材料的储钠可逆容量达323.1 mah/g，首效可达87.37%，具有优异的循环稳定性。上述o、p共掺杂的沥青基碳材料作为负极材料，可显著提升金属离子电池的能量密度、循环寿命及倍率性能，为高性价比、长寿命储能器件的开发提供关键材料支撑。

1.一种o、p共掺杂的沥青基碳材料的制备方法，其特征在于，将沥青、氯化钠和含磷配体混合均匀，经氧化处理得到氧化前驱体，然后将所述氧化前驱体进行预碳化、洗涤和干燥，最后对干燥产物进行高温碳化，得到所述o、p共掺杂的沥青基碳材料。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述沥青、所述氯化钠和所述含磷配体的质量比为(1~5):(1~10):(0.5~3)；

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预碳化的温度为400~600℃，时间为2~4h；

4.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述沥青的软化点为110~300℃，优选为240~260℃；

5.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述沥青的d50粒径为1~10μm，优选为2~6μm；

6.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含磷配体为水溶性磷酸盐；

7.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述预碳化和/或所述高温碳化在惰性气氛下进行；

8.根据权利要求1~3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述氧化处理在马弗炉中持续通入含氧气体进行；

9.一种o、p共掺杂的沥青基碳材料，其特征在于，采用权利要求1~8任一项所述的制备方法制备得到。

10.一种权利要求9所述的o、p共掺杂的沥青基碳材料在金属离子电池负极中的应用。