[发明专利]含氮多孔纳米空心碳球及其制备方法、应用

说明书

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种含氮多孔纳米空心碳球及其制备方法、应用，向聚苯乙烯磺酸钠溶液中加入乙酸钙和碳酸钠，恒温陈化，将固体粉末干燥得到球形碳酸钙粉末；调节甲醛溶液的pH为碱性；加入三聚氰胺，回流反应；加入甲醇溶液，调节pH至酸性，继续回流反应，得到三聚氰胺树脂溶液；将F127‑无水乙醇溶液与球形碳酸钙粉末混合反应；加入三聚氰胺树脂溶液，进行聚合反应，高温炭化处理产物，洗涤，干燥，即得到含氮多孔纳米空心碳球。本发明分别采用F127和CaCO₃为软硬模板，制备出表面多孔的空心球状含氮碳材料，球形直径为50‑80nm，粒径分布均匀，表面平均孔径为3.82nm；制备过程中采用稀HCl去除硬模版，避免使用危险物氢氟酸，减低污染。

技术领域

本发明属于无机材料技术领域，具体涉及一种含氮多孔纳米空心碳球及其制备方法、应用。

背景技术

软-硬混合模板法制备多孔碳材料时，采用的硬模板剂为合成多孔碳材料提供了骨架支撑作用，软模板剂为碳材料的外壁提供多孔，从而形成了有序的孔道。这种多孔碳材料不仅密度较低、表面渗透性好，比表面积也较大，还可以为催化剂等物质提供稳定的载体。这样对于某些材料原本不能体现的性能通过制备成多孔材料之后可能会体现出来，从而使材料的物理与化学性能有一个质的飞跃。相比而言，这种方法所需的原料廉价易得，且思路简单，更适合于大规模的生产与应用，得到的多孔碳材料可广泛应用于医药、化工等领域。用软-硬混合模板法合成空心多孔碳材料在材料科学领域已受到人们的广泛关注，目前已经是新材料领域的研究热点之一。但是目前采用此方法合成的多孔碳材料应用领域还较少，相关研究也较少。

目前国内外对氮掺杂多孔碳材料的制备与性能的研究才刚起步，且主要集中在对氮掺杂碳纳米管和石墨稀的研究，而对于氮掺杂多孔碳材料的研究涉猎尚少。因此研究氮掺杂对多孔碳材料的形态和电化学性能的影响及其机理具有重要的科学价值和应用意义。所以开发出一种原料便宜易得、工艺简单、性能优异的氮掺杂多孔碳的制备方法将对这类材料的开发应用起到巨大的推动作用。

目前常用的制备含氮碳材料的主要方法有：(1)硬模板法：是制备空心球形多孔碳材料最主要的方法，可以定向调节颗粒大小，但是需要使用比较危险化学品氢氟酸处理模板。(2)软模板法：采用具有两亲性质的有机高分子为模板，使表面活性剂与碳前驱体在介观范围内组装成具有介孔结构存在的聚合物。但是收率低，成本高，粒径分布不匀。由于软硬模板法各自存在不足，为克服各自缺点，本发明采用软-硬模版法。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供的一种含氮多孔纳米空心碳球的制备方法，原料便宜易得、工艺简单、制备出的氮掺杂多孔碳性能优异。

本发明提供了一种含氮多孔纳米空心碳球的制备方法，包括以下步骤：

S1，球形碳酸钙的合成

向聚苯乙烯磺酸钠溶液中依次加入乙酸钙和碳酸钠，将上述混合液连续搅拌2～3h后密封，50～70℃恒温陈化1～2d，将下层白色固体粉末洗涤，干燥即可得到球形碳酸钙粉末；

S2，碳前驱体的制备

配制甲醛溶液，调节甲醛溶液的pH为碱性；加入三聚氰胺，将得到的混合液于70～80℃回流反应一段时间；加入甲醇，并调节溶液pH至5.5～6.5，70～80℃继续回流反应，得到三聚氰胺树脂溶液，备用；

S3，含氮多孔纳米空心碳球的制备

取聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物加入到无水乙醇中搅拌溶解，得到F127-无水乙醇溶液；加入球形碳酸钙粉末，25～30℃反应6～8h；加入三聚氰胺树脂溶液，继续反应4～5h；挥发掉溶剂，100～130℃进行聚合反应；将聚合反应得到的产物进行高温炭化处理，将炭化后的黑色粉末洗涤，干燥，即得到含氮多孔纳米空心碳球。

优选的，S1中，聚苯乙烯磺酸钠溶液的浓度为1～1.5g/L。