[发明专利]一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法，是以PMMA‑PBMA‑PMAA乳胶模板作为内核，吡咯作为单体，过硫酸铵作为引发剂，在酸性环境下发生乳胶聚合反应，在乳胶模板表面包裹一层聚吡咯形成核壳结构，之后将核壳结构的聚吡咯置于氮气氛围中碳化，制备获得氮掺杂介孔空心碳纳米球。本发明材料呈中空球形，表面粗糙且均匀分布着介孔，同时含氮丰富。这些特性使得氮掺杂介孔空心碳纳米球成为具有广泛前景的电化学材料，其循环伏安曲线的准矩形形状展现了优异的电化学性能，恒电流充放电曲线较大的放电比电容展示了优异的储能和放电性能。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法及其在超级电容器中的应用。

背景技术

中空碳纳米球由于具备高的比表面积以及稳定的化学性质等性能，长期以来一直备受关注，且广泛应用。一般来说众多制备方法中模板法由于方法简单、重复性好等优点成为研究最广泛的方法。模板法常见的步骤为利用某一粒径均一的球形物质为模板，通过物理吸附或者化学键等作用力将物质包覆在模板表面，然后通过煅烧、蚀刻、等方法除去模板即可得到中空结构。按照模板类型可将模板法分为硬板法和软模板法。SiO₂、Fe₃O₄、SnO₂等硬模板制备的空心碳纳米球经历了高温碳化以后还需要蚀刻来消除模板，过程繁琐且污染；利用聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等软模板虽然可以成熟的制备空心碳球，但是却很难产生介孔特性。

发明内容

为了避免上述现有技术的不足之处，本发明旨在提供一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法，此种材料具有优秀的电化学性能，具有广泛的应用前景。

本发明氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法，是以PMMA-PBMA-PMAA乳胶模板作为内核，吡咯作为单体，过硫酸铵作为引发剂，在酸性环境下发生乳胶聚合反应，在乳胶模板表面包裹一层聚吡咯形成核壳结构，之后将核壳结构的聚吡咯置于氮气氛围中碳化，制备获得氮掺杂介孔空心碳纳米球。

本发明氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：PMMA-PBMA-PMAA乳胶模板的制备

称取甲基丙烯酸甲酯(MMA)0.32g、丙烯酸甲酯(MAA)0.015g、丙烯酸丁酯(BA)0.285g、十二烷基硫酸钠(SDS)0.003g、过硫酸铵(APS)0.5g和去离子水60g，搅拌混合均匀，然后在氮气气氛中升温至70～80℃反应45min，然后向反应体系中滴加MMA 7.9g、MAA 5g、BA 7g、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)0.125g、APS 0.15g以及去离子水10g的混合溶液，整个过程持续240分钟，滴完后于70～80℃保温反应60分钟，即可得到聚甲基丙烯酸酯类共聚物(PMMA-PBMA-PMAA)乳胶模板；

步骤2：核壳结构的聚吡咯的制备

将步骤1制备的10g乳胶模板加入100ml去离子水和无水乙醇的混合液(去离子水和无水乙醇的比例为4：1)中，混合均匀后加入0.5～2ml吡咯单体和1ml的浓盐酸(质量浓度36-38％)，然后在冰水浴的条件下向反应体系中滴加3.29gAPS和20ml去离子水的混合溶液，滴加过程大约为30分钟，滴完后保持冰水浴条件反应8小时；反应结束后离心分离，用乙醇和去离子水洗涤，随后于60℃干燥12小时，即可得到核壳结构的聚吡咯粉末；

步骤3：氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备

取0.4-0.6g步骤2制备的核壳结构的聚吡咯粉末于管式炉中，氮气气氛，升温至500～900℃碳化2小时，即可获得氮掺杂介孔空心碳纳米球。

步骤3中，管式炉的升温速率为5℃/min。

步骤3中，碳化温度优选为700℃。对不同碳化温度的氮掺杂介孔空心碳纳米球进行电化学表征，发现700℃碳化条件下放电比电容高达275.7F g^-1。