[發明專利]一種大規模制備粒徑可控的氮氧摻雜碳微球及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201910009663.2
• 申請日: 2019-01-05
• 公開（公告）號: CN109786118B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 王小梅
• 申請（專利權）人: 淄博職業學院
• 主分類號: H01G11/24
• 分類號: H01G11/24;H01G11/30;H01G11/36;H01G11/38;B82Y30/00;B82Y40/00;C01B32/05
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司 11429
• 代理人: 孫靜雅

本發明公開了一種大規模制備氮氧摻雜碳微球的方法，具體包括以下步驟：將2～8重量份鄰苯二甲酸二烯丙酯、5～10重量份丙烯腈、5～30重量份可聚合單體、70?80重量份溶劑與0.2～1重量份偶氮二異丁腈于溫度70?80℃下，攪拌3～5小時，離心分離得到的固體粉末產物；將步驟A中得到的固體粉末，在惰性氣體保護下以一定的速率升溫至800?900℃進行恒溫碳化，將得到的黑色固體粉末洗滌烘干后即為氮氧摻雜碳微球。碳微球具有高介孔含量，高比表面積和良好的電容性能，可作為超級電容器電極材料使用。

技術領域：

本發明涉及微納米特殊構型碳材料的技術領域。更具體的，本發明涉及一種大規模制備粒徑可控的氮氧摻雜碳微球的方法及其在超級電容器中的應用。

背景技術：

在眾多的超級電容器電極材料中，碳材料往往具有較大的比表面積、較好的孔徑分布、優良的導電性，且生產成本較低，一直受到科研工作者的青睞。目前，新型的碳材料主要包括活性炭、碳纖維、碳納米管、碳微球、碳氣凝膠和石墨烯等。其中，碳微球具有其它碳材料所不具備的優勢，像極度規則的形貌、可控的孔徑及粒徑分布。這特性極大的減小了離子擴散阻力，使其可作為電極材料應用于超級電容器中。碳微球的制備一般包括碳微球前驅體的制備、碳化和氮或氧摻雜三個步驟，且往往在碳微球前驅體的制備的過程中實現氮或氧的摻雜。目前制備碳微球的方法很多，例如模板法、刻蝕法、水熱法等。專利CN201810645153.X公開了一種用于超級電容器電極材料的氮摻雜微孔碳球及其制備方法，其將模板劑、苯酚、甲醛和氨水在醇溶液分散均勻得到混合基液，將混合基液置于密閉容器中進行聚合反應后得到酚醛樹脂球；將酚醛樹脂球于60～100℃下干燥后在惰性氣氛下進行碳化，得到碳化產物；以及將碳化產物與KOH混合，在惰性氣氛下于800℃下活化0.7～1.3h，得到氮摻雜微孔碳球。專利CN2018103284959公開了一種氮氧共摻雜中空碳納米微球的制備方法，其首先將吡咯和苯胺在含有軟模板的水溶液中進行聚合反應，得到中空碳納米微球前驅體，然后再對中空碳納米微球前驅體炭化和氨水活化處理。專利CN2017106556768公開了一種氮摻雜納米多孔中空碳球的制備方法，首先以苯乙烯、丙烯腈為單體，通過細乳液聚合制備聚苯乙烯/聚丙烯腈核殼結構復合微球，再滴加硅烷偶聯劑，繼續聚合形成聚苯乙烯/聚丙烯腈/聚硅烷偶聯劑雙層核殼復合微球，隨后經過預氧化、碳化和殼層二氧化硅的去除后制得氮摻雜納米多孔中空碳球。上述方法雖然能制備形貌良好的碳微球，但是步驟復雜，耗時長，成本高，且很難大規模制備。

發明內容：

[要解決的技術問題]

本發明在于公開一種大規模制備粒徑可控的氮氧摻雜碳微球的方法。該方法首先以鄰苯二甲酸二烯丙酯作為交聯劑，與丙烯腈及其它共聚單體聚合生成單分散聚合物微球前驅體，然后在惰性氣體下高溫碳化得到電化學性能良好的微納米碳球。解決了現有碳微球制備過程中步驟復雜，耗時長，成本高，且很難大規模制備的問題。

[技術方案]

本發明是通過下述技術方案實現的：

本發明涉及一種大規模制備氮氧摻雜碳微球的方法，首先以鄰苯二甲酸二烯丙酯作為交聯劑，與丙烯腈及其它共聚單體聚合生成單分散聚合物微球前驅體，然后在惰性氣體下高溫碳化得到微納米碳球。

本發明涉及的大規模制備氮氧摻雜碳微球的方法，具體包括以下步驟：

A 前驅體的制備

將2～8重量份鄰苯二甲酸二烯丙酯、5～10重量份丙烯腈、5～30重量份可聚合單體、70-80重量份溶劑與0.2～1重量份偶氮二異丁腈于溫度70-80℃下，電動攪拌3～5小時，離心分離得到的固體粉末產物；

B 高溫碳化

將步驟A中得到的固體產物，在惰性氣體保護下以2℃/min的速率升溫至800～900℃恒溫碳化2～3小時，將得到的黑色固體粉末洗滌烘干后即為氮氧摻雜碳微球。