一种以工业废气制备黑磷碳电池材料的方法与流程
本发明涉及电池材料领域及纳米材料，特别是涉及一种以工业废气制备黑磷/碳电池材料的方法。
背景技术：
1、随着工业化和城市化进程加快，工业废气等温室气体的大量排放造成了一系列的环境问题。目前工业尾气大多采用燃烧法处理，此方式容易造成其中碳资源的浪费及大量温室气体的排放，且只有投入不产生任何经济效益。虽然近年来有针对工业废气的资源化利用的研究，但其主要用于制备多元醇，烯烃等有机物，而有机物在后续应用(燃料)过程中又会排放温室气体。通过热催化、电催化等方式将其转化为碳材料是其中一种研究方向，但存在产量较低、能耗较高等问题，且这些研究大多聚焦于单一碳材料的制备上，而单一碳材料存在储能比容量较低等问题，不适合用于电池材料领域。目前少有通过结构优化或调控化学组成，来提升工业废气制备的储能碳材料的电化学性能的研究。
2、黑磷因具有高的理论比容量及快速的离子传输速率等特点，能够极大提升储能电池的能量密度及功率密度，将其与碳材料复合有望大幅提升其电化学性能。尽管目前有通过自上而下以及自下而上等方法制备黑磷/碳复合材料的方案，但球磨等自上而下法存在操作繁琐、成本较高、结构控制困难和难以实现大规模生产等问题；溶剂热法等自下而上的原位复合法能一定程度缓解上述问题，但大多涉及有机溶剂的使用，对环境不友好。因此，当今领域亟需开发一种新型的黑磷/碳电池材料的制备方法。
技术实现思路
1、本发明的目的在于，提供一种以工业废气制备黑磷/碳电池材料的方法。本发明通过自下而上法制备黑磷/碳材料，可以使材料间在反应过程中原位复合，于原子级别上发生交互作用，形成较强的界面结合，实现材料间的协同效应以及使元素均匀分布，改善复合材料的性能。磷单质的引入不仅有效提升了碳产量，还有助于大幅提升其电化学性能，填补了以工业废气制备黑磷/碳复合材料的空白。
2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
3、本发明技术方案之一：提供一种以工业废气制备黑磷/碳材料的方法，包括以下步骤：
4、将磷单质和还原性金属元素混合，随后在工业废气气氛中进行加热活化，得到所述黑磷/碳材料；
5、所述工业废气包括磷化工厂、燃煤电厂或钢铁厂中产生的含碳废气。
6、在本发明的加热活化过程中，基于原子或分子层面的重组及材料复合，可以在磷原子重排生成黑磷的同时，与产物中的碳材料发生原位复合，生成高性能的黑磷/碳储能复合材料。反应生成的碳材料以无定形碳、石墨烯、多孔碳或碳纳米管的形式存在。
7、优选地，所述磷单质为红磷或白磷。
8、优选地，所述还原性金属元素为碱金属或碱土金属。
9、更优选地，所述碱金属包括锂、钠或钾；所述碱土金属包括镁。
10、优选地，所述磷单质和还原性金属元素的质量比为1:5～10:1。
11、优选地，所述加热活化的温度≥100℃，压力≥1atm，时间≥2h。
12、本发明技术方案之二：提供一种根据上述方法制备得到的所述黑磷/碳材料。
13、本发明技术方案之三：提供一种上述黑磷/碳材料在储能材料领域的应用。
14、以工业废气作为原料制备黑磷/碳复合材料，不仅有望实现工业废料的资源化利用进而创造经济效益，还避免了溶剂热法所造成的处理和回收问题，降低了成本和环境影响。且气相反应介质具有较高的扩散速度和温度易控制性，有利于提升反应活性及效率，降低生产过程中的能耗。开发一种以工业废气高效制备高性能黑磷/碳电池材料的方法，对于实现工业废气的资源化利用及新能源产业的发展具有重要意义。
15、本发明的有益技术效果如下：
16、本发明的加热活化环节中，在高温高压作用下，物料活化，发生化学反应并进行分子或原子重组，工业废气中的碳氧化物在还原性金属元素及磷单质还原作用下，实现碳原子重排生成高导电性的碳材料，磷单质在还原性金属元素催化作用下磷原子在碳基底上重排生成黑磷，自下而上实现了黑磷/碳复合材料的高效制备，基于原子级别的原位复合精确控制了材料的结构和组成，使黑磷/碳材料之间元素均匀分布并形成较强键合作用，使其具备优异的储能性能。利用工业废气制备高性能储能材料，实现了对工业废气的资源化利用以及磷资源的高附加值处理，推动新能源产业发展，实现以碳制碳。
17、本发明通过自下而上法制备黑磷/碳材料，可以使材料间在反应过程中原位复合，于原子级别上发生交互作用，形成较强的界面结合，实现材料间的协同效应以及使元素均匀分布，改善复合材料的性能。
18、针对目前的工业尾气排放易造成环境污染、利用不合理等问题，本发明提出一种以工业废气制备黑磷/碳电池材料的方法，该方法以含碳工业尾气作为碳源，价格低廉的白磷或红磷作为磷源，通过自下而上的方法高效制备了黑磷/碳复合材料，磷单质的引入不仅有效提升了碳产量，还有助于大幅提升其电化学性能，填补了以工业废气制备黑磷/碳复合材料的空白。
19、本发明以工业废气为碳源，制备高性能黑磷/碳储能复合材料，实现了对工业废气的资源化利用以及磷资源的高附加值处理，减少了废物和污染物的排放，有利于保护环境和减少对自然资源的负荷，降低对环境造成的不良影响。本发明利用工业废气优异的扩散速度和溶解能力来促进黑磷的生成，为黑磷材料的制备提供了新思路。
技术特征：
1.一种以工业废气制备黑磷/碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷单质为红磷或白磷。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述还原性金属元素为碱金属或碱土金属。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磷单质和还原性金属元素的质量比为1:5～10:1。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加热活化的温度≥100℃，压力≥1atm，时间≥2h。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述方法制备得到的所述黑磷/碳材料。
7.一种权利要求6所述的黑磷/碳材料在储能材料领域的应用。
技术总结
本发明公开了一种以工业废气制备黑磷/碳电池材料的方法，属于电池材料领域及纳米材料技术领域。本发明的以工业废气制备黑磷/碳材料的方法，包括以下步骤：将磷单质和还原性金属元素混合，随后在工业废气气氛中进行加热活化，得到所述黑磷/碳材料。本发明通过自下而上法制备黑磷/碳材料，可以使材料间在反应过程中原位复合，于原子级别上发生交互作用，形成较强的界面结合，实现材料间的协同效应以及使元素均匀分布，改善复合材料的性能。磷单质的引入不仅有效提升了碳产量，还有助于大幅提升其电化学性能，填补了以工业废气制备黑磷/碳复合材料的空白。
技术研发人员：裴丰,卞平官,熊俊,廉培超,郭忠,孙衡
受保护的技术使用者：湖北宜化化工科技研发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23