[发明专利]石墨化空心碳球及其制备方法以及电极材料的制作方法及其应用

说明书

本发明公开了一种石墨化空心碳球及其制备方法以及电极材料的制作方法及其应用，本发明属于功能材料技术领域。本发明以植物生物质作为碳源在相对较低的温度下通过一步催化活化生产石墨化空心碳球，并利用石墨化空心碳球制作电极材料。该方法不仅克服了现有制备石墨化碳工艺存在的上述不足，而且可以降低石墨化碳生产成本，实现大规模商业化生产。本发明主要以植物生物质做为碳源前驱体，通过控制催化剂与活化剂的量来控制碳球的形貌，并在惰性气氛下一步合成具有空心球结构的石墨化碳；并将其制作为电极材料，同时将电极材料应用于二次碱金属离子电池负极材料中。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，特别涉及石墨化空心碳球及其制备方法以及电极材料的制作方法及其应用。

背景技术

材料科学的发展迅速，纳米材料的制备方法层出不穷，人们通过控制不同的制备条件，可以得到形貌各异，功能多样的材料。碳材料以其优越的物理化学性能和广泛的应用价值从而得到了人们的大量研究。尤其一些具有特殊结构的碳材料，比如洋葱型碳、锥形结构碳、碳微树、碳微卷、实心碳球、空心碳球、多孔碳等已经被成功合成。空心碳球的制备通常是运用硅球、聚合物球等一些尺寸均一的微球作为硬模板，通过将碳源(葡萄糖、沥青、酚醛树脂、多巴胺等)沉积在其表面形成一种核壳结构，高温炭化后再将模板刻蚀掉而制得。空心碳球的独特的空心球形结构使其通常具有密度低、比表面积大、孔隙率大、导电性和化学稳定性好等优点。上述优点使其在能量储存和转换、催化、吸附等领域具有无限的应用潜力，因此对于空心碳球的合成正受到了人们的广泛关注。

然而上述方法所制备的空心碳球往往是无定性的，其导电性能相对于石墨化碳空心球比较差，从而限制了其应用(电池电极材料、催化剂载体等)。但是石墨化空心碳球的制备一般需要较高的温度(一般大于3000℃)和较高的压力，苛刻的合成条件使耗能、污染、成本等大大提高，解决这一问题仍是一项挑战。研究发现，在过渡金属的催化作用下无序碳可以在相对较低的温度向石墨结构转变。Chen等([J].Chem Commun，2008,24,2765-2767)通过制备出尺寸均一的Ni颗粒作为催化剂，与聚苯乙烯混合得到前驱体，再置于微波炉中反应，制备出了石墨化程度较高的空心碳球。Lu等([J].Angew.Chem.Int.Ed,2010,49,1615-1618)采用F127作为软模板，制备出乳液凝胶体系形成胶束，再采用酚醛树脂再80℃下制备出了空心聚合物微球，将该微球与氯化铁混合后在850℃氮气氛保护下煅烧3h,最终合成出了石墨化空心碳微球。但现有制备工艺相对比较复杂，需要大量模板，成本比较高，难以实现工业规模化生产等缺点，极大的限制了石墨化空心碳球的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种石墨化空心碳球及其制备方法以及电极材料的制作方法及其应用；旨在以植物生物质作为碳源在相对较低的温度下通过一步催化活化生产石墨化空心碳球，并利用石墨化空心碳球制作电极材料。该方法不仅克服了现有制备石墨化碳工艺存在的上述不足，而且可以降低石墨化碳生产成本，实现大规模商业化生产。本发明主要以植物生物质做为碳源前驱体，通过控制催化剂与活化剂的量来控制碳球的形貌，并在惰性气氛下一步合成具有空心球结构的石墨化碳；并将其制作为电极材料，同时将电极材料应用于二次碱金属离子电池负极材料中。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实施：一种石墨化空心碳球的制备方法，该方法包括以下步骤：

(1)以植物生物质为碳源，进行烘干，球磨制粉，得碳源前驱体；

(2)将0.05-0.5mol/L的乙酸镍溶液加入到碳源前驱体进行搅拌，使得碳源前驱体内部结构中均匀分布有镍离子；其中碳源前驱体与乙酸镍的质量比为R＝1-10；

(3)在步骤(2)的混合物中添加氢氧化钾溶液，进行加热，活化改性；其中碳源前驱体与氢氧化钾的质量比为R＝2-4；

(4)将步骤(3)中的活化改性物烘干，控制升温速率2℃/min在750-950℃氩气氛围下进行煅烧，保温2-6h；