[发明专利]一种空心超枝化碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明涉及一种空心超枝化碳材料的制备方法及其应用，空心超枝化碳材料的制备过程为：(1)沉淀法制备ZIF‑8纳米颗粒；(2)将ZIF‑8纳米颗粒和葡萄糖一步水热制备空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料；(3)将空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料高温碳化为空心超枝化碳材料。本发明的制备方法简单，通过一步水热反应即可搭建空心超枝化结构，最终产物空心超枝化碳材料具有高比表面积、大体积空腔和超薄碳壁，制备电极材料时能够有效降低接触电阻，应用于超级电容器时能有效提高电化学性能。

技术领域

本发明属于能源技术领域，涉及一种空心超枝化碳材料的制备方法及其应用，特别涉及空心超枝化碳材料的制备及其作为电极材料在储能器件中的应用。

背景技术

近年来，电动汽车、信息技术、智能装备等领域的快速发展对能量存储和转化器件提出了大容量、高效率、长寿命的战略需求，而电极材料是影响上述性能的关键因素。碳材料由于其优异的电输运特性和高活性表面，不仅是重要的储能材料，而且可以构建能量输送网络，同时在基于非碳电极材料的能源器件中发挥电子传递及调节界面反应的重要作用，一直以来作为关键电极材料/载体/导电添加剂广泛应用于各类能量存储和转化器件。然而，传统碳材料由于结构单一、缺陷、无序、堆叠团聚或性能局限等因素，难以突破高性能能源器件的发展瓶颈，也难以达到新原理能源器件设计的材料要求。面向高性能能量存储与转化器件的战略需求，发展高效率、高容量、高通量的新型碳基电极材料是核心关键。

基于能源器件中电荷的产生/分离、存储和传递/输运等基本原理，实现高效储能需要对碳基电极材料进行科学合理的纳米化、有序化、复合化和组装化的结构设计和功能设计。从基础结构的角度来看，sp²杂化的碳材料均可看作是由石墨烯为基础单元组装构筑而成，一方面石墨烯提供了电荷储存的储能空间，也是重要的电极材料功能成分；另一方面，由石墨烯组装得到的微级碳骨架网络结构既能起到高效传质、电子导通的关键作用，又能对高活性的非碳功能组份起到限域、保护和担载等作用，防止其结构在充放电循环过程中出现粉化、团聚、流失等现象；最后，由微级碳骨架的进一步组装构筑宏观上的高效碳基电极材料。因此，在碳材料参与的能量存储与转化体系中，需要通过纳级–微级–宏观的多尺度网络体系构建高效率、高容量、高通量的新型碳基电极材料。

基于以上考虑，采用简单方法制备三维多尺度的空心结构碳材料可以有效提高碳基电极材料的性能，然而空心超枝化碳材料未有报道，独特的超枝化空心结构将赋予碳材料更优异的电化学性能。本发明基于以上考虑提出。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种空心超枝化碳材料的制备方法及其应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的目的之一在于提出了一种空心超枝化碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备ZIF-8纳米颗粒：

先将硝酸锌溶解于甲醇中得到溶液A，将2-甲基咪唑溶解在甲醇中得到溶液B；随后，将溶液A和溶液B搅拌混合，在低温条件下静置反应，离心、清洗、干燥，得到ZIF-8纳米颗粒；

(2)ZIF-8纳米颗粒和葡萄糖一步水热制备空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料：

将ZIF-8和葡萄糖分散在水溶液中，随后高温水热反应，离心、清洗、干燥，得到空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料；

(3)将空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料碳化为空心超枝化碳材料：

在惰性气体气氛下高温煅烧空心超枝化葡萄糖衍生碳基材料，反应结束后，得到目标产物空心超枝化碳材料。

进一步的，步骤(1)中，硝酸锌和2-甲基咪唑的添加量质量比为1:1。

进一步的，步骤(1)中，溶液A与溶液B的体积比为1:1。