[发明专利]三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用，其粒径为100‑150nm，中空碳纳米球的壳层上均匀分布着直径0.7‑2nm的微孔，中空碳纳米球的空腔直径为30‑50nm。本发明与现有技术相比，具有如下优势：1)合成工艺简单，能够一步聚合得到中空纳米球结构，成本低廉；2)尺寸均一且具有相互连通的微孔和中空结构，更加有利于离子的吸附、储存和转移；3)原位掺杂氮原子可有效提高材料的导电性和电化学性能；4)原位氮掺杂三维多孔碳纳米球具有优异的吸附性能，其丰富的微孔空隙可以吸附大量的电解液离子，作为超级电容器电极材料时表现出高比容量，极佳的倍率性能和循环稳定性。

技术领域

本发明属于多孔碳材料领域，具体涉及一种三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用。

背景技术

如今化石能源造成的环境污染问题日趋严重，人类社会已经意识到利用可再生能源替换化石能源的重要性。目前，太阳能、风能、地热能等等都已经被开发出来，储量也十分丰富，但依旧没有大规模应用。其主要原因是缺乏相应的高能量密度、长循环寿命的储能器件。众所周知，超级电容器是通过离子吸附存储能量的安全可靠的储能装置，由于没有类似电池的缓慢电化学电荷转移动力学特性，超级电容器可以在几秒钟内实现快速储能，从而达到远远超过电池的功率密度（10 kW kg^-1）和长循环寿命（10⁵次循环）。 然而，与锂离子电池相比，目前超 级电容器的普遍应用仍然受到其相对低的能量密度（~5 Wh kg^-1）的限制。多孔碳材料由于比表面积大、孔径可调、导电性高、化学稳定性好、比容量高、价格低廉等优点，能够满足超级电容器的大多数要求，而引起了人们的广泛关注，成为超级电容器电极材料的首选。尽管多孔碳材料在超级电容器领域已经被广泛研究，但很少有碳材料能够在实现高能量密度（50 Wh kg^-1）的同时不牺牲功率密度和倍率性能，这归因于目前大部分的多孔碳材料孔隙连通性差、无效孔隙居多、孔径与电解液离子尺寸不匹配以及导电性差等原因。因此，为了解决这些问题，迫切需要设计一种具有互连多孔结构的碳材料，能够满足高能量密度而不损失快速储能的特性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单通用、价格低廉、电化学性能优异的三维多孔氮掺杂中空碳纳米球及其可控制备方法和应用。

本发明解决上述技术问题所采用的方案是：三维多孔氮掺杂中空碳纳米球，其粒径为100-150 nm，中空碳纳米球的壳层上均匀分布着直径0.7-2 nm的微孔，中空碳纳米球的空腔直径为30-50 nm。

三维多孔氮掺杂中空碳纳米球的可控制备方法，包括以下步骤：

1）将表面活性剂和胺源，溶解到去离子水、乙醇和氨水的混合溶液中，然后加入甲醛，加入硅源后室温下连续搅拌，经过离心洗涤得到胺醛树脂/二氧化硅复合纳米球；

2）将胺醛树脂/二氧化硅复合纳米球惰性气氛下煅烧，得到碳/二氧化硅中空纳米球；

3）将碳/二氧化硅中空纳米球分散于模板去除剂水溶液中，水浴加热处理除去氧化硅模板；将得到的中空碳纳米球与活化剂均匀混合，在氮气中进一步活化，最终得到三维多孔氮掺杂中空碳纳米球。

按上述方案，步骤1）所述的表面活性剂为溴化十六烷基三甲铵或氯化十六烷基三甲铵，所述的胺源为间苯二胺。

按上述方案，步骤1）所述的硅源为正硅酸四乙酯，且浓度为0.16-0.25 mol L^-1，能够一步聚合得到中空结构。

按上述方案，步骤2）所述的煅烧温度为700-900 ℃，时间为5-6 h，升温速率2-5℃ min^-1。

按上述方案，步骤3）所述的活化温度为600-800 ℃，时间为 1-2 h，升温速率2-5℃ min^-1。