[发明专利]一种中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料及其制备方法和应用，该中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料由中空的氧化铜量子点和介孔碳组成，中空的氧化铜量子点粒径在15‑22nm且在介孔碳表面分布均匀。本发明提供了所述的中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料作为锂离子电池电极材料的应用，展现出优异的电化学性能。

技术领域

本发明属于纳米复合材料技术领域，涉及一种中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着科技和社会的发展，能源与环境问题日益凸显，新型可再生能源以及储能材料已成为人们研究的热点。锂离子电池因其能量密度高、循环寿命长、环境友好等特点，越来越多的用于便携式电子产品、动力电动汽车、大规模储能设备等领域。众所周知，过渡金属氧化物是一类性能优异的锂离子电池负极材料。相比于商业化的石墨材料(372mAh/g)，过渡金属氧化物具有更高的能量密度。氧化铜(CuO)是一种廉价丰富，无毒无污染且具有特殊电子结构的过渡金属氧化物，在锂离子电池、超级电容器等领域具有潜在应用。然而，作为锂离子电池负极材料，氧化铜存在电导率低，充放电过程体积膨胀等问题，严重影响了电池的循环性能。设计纳米结构的氧化铜并与导电材料相结合可以有效的解决上述的问题。

目前，各种不同结构的纳米氧化铜(如中空纳米球，纳米核壳结构、纳米多孔颗粒等)以及氧化铜复合材料(如氧化铜/石墨烯、氧化铜/碳纳米管等)被合成并应用于锂离子电池。但是，迄今为止有关氧化铜量子点/介孔碳复合材料还没有报道过。量子点(QuantumDots,QDs),即由数百到数千个原子组成，尺寸小于的零维纳米颗粒。由于其独特的结构，量子点纳米材料展现出许多特殊的物理和化学性质。用于锂离子电池负极材料，量子点可以有效的增大活性材料与电解液的接触面积，增加反应活性位点，缩短Li⁺在体相中的扩散距离以及缓解循环过程中因体积膨胀产生的机械应力。但由于它表面能较高，极易团聚和劣化，难以储存，通过与导电材料复合能够有效提高量子点的性能。介孔碳材料(Mesoporous Carbon,MC)具有较大的比表面积(高达2000m²/g)和比孔容(可达1.5m³/g)，良好的微纳结构，优秀的物理化学稳定性，是一种非常理想的载体材料。将量子点与介孔碳材料复合，一方面可以防止量子点的团聚，提供较大的反应界面和杰出的化学稳定性，另一方面由于碳材料本身具有良好的导电性，它可以提高材料整体的电子、离子传输能力。因此，量子点/介孔碳复合材料在储能、催化等领域极具应用潜力。

纳米中空结构是一种特殊的核壳结构,其特殊性主要表现在其内部是空心的。由于这种独特的结构，中空纳米材料具有密度低，比表面积大，表面渗透性好以及参与反应的活性位点多等优点，一直一来是人们研究的热点。在以往的报道中，量子点/介孔碳复合材料的报道本就较少，而中空结构的量子点/介孔碳复合材料更是从来没有报道过。以中空结构的量子点/介孔碳复合材料作为锂离子电池负极材料，可以快速的吸附和储存大量的电解液，使Li⁺扩散距离急剧缩短，同时提供更多的电化学反应活性位点，有效的缓冲充放电过程中的体积膨胀，提高材料的电导率。目前，制备中空纳米结构的方法主要有模板法和非模板法，制备量子点的方法主要有水热法、三相法、金属有机化合物热解等。但是由于材料结构的特殊性，制备的过程中往往需要非常复杂的步骤，目标产物的分散性和尺寸也难以精确的控制。因此，发展一种制备中空量子点/介孔碳复合材料的简单的方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料及其制备方法和应用，制备工艺简单，成本低廉，产品重现性好；制备的中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料用于锂离子电池电极材料展现出优异的电化学性能。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供了一种中空氧化铜量子点/介孔碳复合材料，由中空的氧化铜量子点和介孔碳组成，其中中空的氧化铜量子点粒径在15-22nm且在介孔碳表面分布均匀。