[发明专利]一种氮、氧共掺杂碳纳米球的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮、氧共掺杂碳纳米球的制备方法。属于材料制备技术领域。按1：0.5～5.3：13～55：42～80质量比依次称取乙二胺、对苯醌、去离子水和无水乙醇。将去离子水和无水乙醇混匀后加入乙二胺，拌匀后加入对苯醌，在300～700转/分的搅拌下，保温40～80℃反应120min，即得胺醌聚合物。将其过滤，洗涤，干燥后按1：0.3～4质量比将胺醌聚合物与氢氧化钾混匀，置于管式炉中，惰性气氛中，以2～10℃/min升温至600～1000℃进行碳化活化，恒温2～3h，自然冷却至室温，用去离子水洗涤至pH呈中性，干燥后即得氮、氧共掺杂碳纳米球。本发明制备的碳纳米球具有高杂原子掺杂度、独特的分级孔结构、高比表面积、均一的球径等优点，将其用作超级电容器电极时，展现出优异的电容性能和长循环寿命。

技术领域

本发明涉及一种氮、氧共掺杂碳纳米球的制备方法，属于材料制备技术领域。

背景技术

超级电容器是一种介于传统电容器与二次电池之间的绿色储能器件，具有充放电效率高、循环寿命长和功率密度高等优点，在消费类电子产品、混合电动汽车、航空航天以及国防等领域有着广阔的应用前景。电极是超级电容器最重要的组件之一。碳材料因其高表面积、出色的导电性和优异的电化学稳定性等特点而被广泛用作超级电容器电极材料。

然而大多数碳材料由于受到表面性质和内部孔结构的限制而表现出较低的比电容。因此，优化碳电极材料的表面性质和内部孔结构对于高性能超级电容器的研究和应用具有重大意义。碳纳米球具有规则的微观形貌、可调的孔径与粒径、良好的化学稳定性等特点，被广泛应用于吸附剂、药物运输载体、催化剂载体、电池电极材料等方面。中国发明专利申请，CN201510137088公开了“一种单层及多层空心碳纳米球、制备及其应用”，该专利申请通过在碳纳米球中掺入氮、氧、硫等杂原子，不仅可以提高碳材料的表面润湿性和电子传导率，而且还能提供额外的赝电容，从而提高碳电极材料的超级电容器性能。中国发明专利申请，CN201610143779公开了“一种多孔空心酚醛树脂纳米球和碳纳米球及制备方法”，该专利申请采用具有辐射状孔道结构的树枝状二氧化硅纳米粒子作为模板，在粒子表面包覆酚醛树脂聚合物，然后经碳化和蚀刻后制得多孔空心碳纳米球，该碳纳米球具有大尺寸介孔孔道、高的孔隙率、高的通透性、较大的比表面积和孔体积等优点，在催化、环境、医学等领域具有广泛的应用前景。

目前，制备杂原子掺杂碳纳米球的方法主要有模板法、水热法、自组装法和化学气相沉积法等。这些方法往往存在工艺复杂、对设备要求高、反应温度高等问题，严重阻碍了碳纳米球的实际应用。因此，开发简单高效的杂原子掺杂碳纳米球制备方法是实现高性能碳基超级电容器的有效途径。

发明内容

本发明的目的在于公开一种简单高效的氮、氧共掺杂碳纳米球的制备方法。采用本方法制备的碳纳米球具有高杂原子掺杂度、独特的分级孔结构、高比表面积、均一的球径等优点。

为达到上述目的，本发明以乙二胺和对苯醌为原料，利用1,4-迈克尔加成反应得到胺醌聚合物，经高温碳化活化处理后制得氮、氧共掺杂碳纳米球。该制备方法工艺流程简单快捷、无需额外的模板剂及苛刻的实验条件，可以将氮、氧原子均匀地掺入到碳纳米球中。当该氮、氧共掺杂碳纳米球应用于超级电容器电极材料时，样品电极展现出优异的电容性能和长循环寿命。

具体制备方法如下：

按质量比称取乙二胺：对苯醌：去离子水：无水乙醇＝1：0.5～5.3：13～55：42～80。先将去离子水和无水乙醇混合均匀，再加入乙二胺，搅拌均匀后加入对苯醌，在300～700转/分的搅拌速度下，保持反应温度为40～80℃反应120min，即得胺醌聚合物。将胺醌聚合物过滤，用去离子水和乙醇洗涤数次后干燥。再按质量比称取胺醌聚合物：氢氧化钾＝1：0.3～4，混合均匀后置于管式炉中，在惰性气氛中，以2～10℃/min的升温速率升温至600～1000℃进行碳化活化，恒温2～3h，自然冷却降至室温，用去离子水洗涤碳化活化产物至pH呈中性，干燥后即得氮、氧共掺杂碳纳米球。

本发明具有如下优点：