[发明专利]一种石墨烯/中空碳纳米球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石墨烯/中空碳纳米球的制备方法，属于材料技术领域。

背景技术

超级电容器，具有充电时间短、充电效率高、循环使用寿命长以及无记忆效应等特点，在移动通讯，信息技术、工业领域、消费电子、电动汽车、航空航天和国防科技等领域都具有十分广阔的应用前景。电极材料是影响超级电容器主要性能的关键因素之一。由于具有较高的比表面积、较低的密度和良好的化学稳定性，碳材料成为应用最多的超级电容器电极材料。多孔碳纳米球是一类具有球形结构的新型碳材料，在吸附与分离、催化、光子晶体、纳米器件、催化剂载体和电极材料等领域都有着广泛的应用前景。例如，“一种单层及多层空心碳纳米球、制备及其应用”(中国发明专利，申请号：201510137088.6)、“碳纳米球及其制备方法和应用”(中国发明专利，申请号：201210504772.X)、“制备中空碳球的方法”(中国发明专利，申请号：201410390340.X)。这些报道公开了碳纳米球的制备方法及其在吸附、超级电容器电极材料等方面的应用。然而，与其它碳材料一样，碳纳米球也存在表面碳原子相对惰性的缺点，这使得碳纳米球表面的润湿性能较差，导致其吸附、电化学性能等不甚理想。

石墨烯是新型二维碳材料，具有较大的理论比表面积，良好的导电性和高机械稳定性等优越性能，它作为一种新型的超级电容器电极材料引起了人们的极大的关注。“电极材料石墨烯纳米片的制备方法及其制备的电极片”(中国发明专利，专利号：ZL 201010178452.0)和“石墨烯、其制备方法、电极片以及超级电容器”(中国发明专利，申请号：201210480792.8)报道了石墨烯作为电极材料的制备及其在电容器上的应用。然而，由于石墨烯片层间π-π作用使其容易发生团聚，导致其作为电极时存在比电容不高的缺点。将碳纳米球和石墨烯复合，由于兼具两者的优点，受到研究者的广泛关注。例如，“石墨烯/碳球复合材料及其制备和应用”(中国发明专利，专利号：ZL201110386968.9)、“三维石墨烯/中空碳球复合材料的制备方法”(中国发明专利，专利号：ZL201310175786.6)等。这些报道在一定程度上解决了石墨烯的团聚问题，但是无法有效提高所得材料的比电容，其在超级电容器领域的应用仍然受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可应用于超级电容器电极材料的石墨烯/中空碳纳米球的制备方法。用该方法制备的石墨烯/中空碳纳米球，具有比容量高，循环稳定性能好等优点。

为达到上述目的，本发明通过在正硅酸乙酯水解过程中引入硅烷偶联剂KH-500制备出带有正电荷的SiO₂纳米球，将其与带有负电荷的氧化石墨烯复合，得到SiO₂纳米球/氧化石墨烯，然后再在其表面包覆间苯二酚/甲醛聚合物，炭化后除去SiO₂纳米球后制得石墨烯/中空碳纳米球。具有高比表面积和多孔结构的碳纳米球与石墨烯结合，使得石墨烯层与层之间能够有效的分离，防止了石墨烯的团聚；同时碳纳米球中的多孔结构有利于电解液的扩散，可以大大提高其电化学性能。

具体制备工艺是按如下步骤进行的：