[發(fā)明專利]一種多孔中空碳納米片制備及應(yīng)用

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• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN109956461A
• 公開（公告）日: 2019-07-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王素力;戚甫來;孫公權(quán)
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及儲能用多孔碳電極材料，具體涉及一種多孔中空碳納米片制備及應(yīng)用，該制備方法包括如下步驟：A、制備碳前體；B、制備多孔中空碳納米片。制備的碳納米片為多孔中空結(jié)構(gòu)，孔隙率可調(diào)(2.0?6.0cm³/g),厚度為20?300nm。所述中空碳納米片含有N元素，同時還含有異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上。所述中空碳納米片中N元素的含量以及所述異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上的總的質(zhì)量含量分別為2％?7％。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點：制備方法簡單，原料來源廣泛，價格低廉，工藝條件易控制，操作成本低，極具工業(yè)化前景。本發(fā)明的多孔中空碳納米片比表面積大，孔隙發(fā)達(dá)且可調(diào)節(jié)，在電化學(xué)電容器及鋰硫電池電極材料領(lǐng)域有著廣泛地應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲能電極材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多孔中空碳納米片制備及應(yīng)用。

背景技術(shù)

隨著石油能源短缺問題的日益突出和人們環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，具有高能量密度的鋰硫電池與具有高功率密度的超級電容器等儲能器件越來越多的引起人們的廣泛關(guān)注。多孔碳電極材料因其良好的化學(xué)穩(wěn)定和導(dǎo)電性被認(rèn)為最有潛力的電極材料。然而其電極材料仍然面臨諸多挑戰(zhàn)，通過傳統(tǒng)活化法制備的電極材料多為微孔碳，孔道狹窄，孔隙率低，無法提供足夠電解液離子傳輸通道和實現(xiàn)高的硫負(fù)載量。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，制備了一種多孔中空碳納米片，所述的碳納米片為多孔中空結(jié)構(gòu)，其中具有50-100nm直徑的大孔，大孔所占孔容40％-80％，具有2-50nm直徑的介孔，介孔所占孔容10％-50％，具有小于2nm直徑的小孔，小孔所占孔容10％-30％；孔隙率可調(diào)(2.0-6.0cm³/g)，厚度為20-300nm。所述中空碳納米片含有N元素，同時還含有異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上。所述中空碳納米片中N元素的含量以及所述異質(zhì)元素P、S、B中的一種或兩種以上的總的質(zhì)量含量分別為2％-7％，所制備的多孔中空碳納米片具有較高的比表面積和孔隙率，能夠提供足夠的活性位及良好的傳質(zhì)通道。本發(fā)明采用以下具體方案實現(xiàn)的：

(1)制備碳前體：將多元醇和無機(jī)酸攪拌均勻后并加熱抽真空使其發(fā)生酯化反應(yīng)，將含氨基化合物的分散液加入所得反應(yīng)產(chǎn)物中，再次混合均勻后加熱使其發(fā)生成鹽反應(yīng)，得到碳前體懸浮液：

(2)一定質(zhì)量前體以納米氧化硅混合均勻；

(3)制備多孔中空碳納米片：將步驟(2)所得的材料在惰性氣氛下高溫碳化并除去氧化硅即得多孔中空碳納米片。

步驟(1)中所述多元醇與無機(jī)酸的物質(zhì)的量的比為2：1-1：8；所述無機(jī)酸與氨基化合物的物質(zhì)的量的比為5：1-1：5。

步驟(1)中所述溶劑為水、甲醇、乙醇、乙二醇或兩種及兩種以上的混合液；所述多元醇為季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一種或兩種以上；所述無機(jī)酸為硼酸、磷酸、硫酸、硝酸中一種或兩種以上；所述氨基化合物為尿素、三聚氰胺、氰胺、氨基酸中一種或兩種以上。

步驟(1)中所述含氨基化合物的分散液質(zhì)量濃度為3-50％。

步驟(1)中所述酯化反應(yīng)的條件為于70-200℃下反應(yīng)0.5-5h；真空度為0.03-0.2Mpa，所述成鹽反應(yīng)條件為30-150℃溫度下反應(yīng)2-24h。

步驟(2)中所述納米氧化硅為10nm氧化硅球、30nm氧化硅球、MCM-41、SBA-15等介孔硅中的一種或兩種。

步驟(2)中所述納米氧化硅與碳前體的質(zhì)量比為1:100-1:1

步驟(3)中所述碳化處理條件為：升溫至300-600℃并保持0.5-3h，繼續(xù)升高溫度至700-1100℃，保持此溫度0.5-3h，冷卻至室溫。

步驟(3)中所述碳化處理條件為以升溫速率為2-10℃/min