[发明专利]一种氮功能化中空介孔碳纳米球的制备方法

说明书

本发明涉及一种氮功能化中空介孔碳纳米球的制备方法。按1：3.7：20.5：0.059：0.22～0.66：0.50～1.5质量份数量取氨水、水、乙醇、间苯二酚、甲醛溶液和四丙氧基硅烷。将氨水、水、乙醇和四丙氧基硅烷混合，搅拌，于30℃反应15min，加入间苯二酚和甲醛溶液，继续搅拌24h后，于100℃水热处理24h，得到含SiO₂纳米颗粒的聚合物纳米球。将它们置于600～900℃碳化，用NaOH溶液除去SiO₂模板，得中空介孔碳纳米球。将离子液体1‑乙基‑3‑甲基咪唑二氰胺与中空介孔碳纳米球混合，700℃再次碳化，制得氮功能化中空介孔碳纳米球。本发明制备的氮功能化中空介孔碳纳米球具有高比表面积、氮功能基团、中空结构、介孔孔道和球状几何形貌等优点，在用作超级电容器电极时，具有优良的电化学性能。

技术领域

本发明涉及一种氮功能化中空介孔碳纳米球的制备方法，属于材料制备工艺技术领域。

背景技术

超级电容器作为一种新型储能器件，具有充电时间短、循环使用寿命长和绿色环保等特点。在电动汽车、不间断电源、航空航天、国防等诸多领域都具有重要的应用前景。电极材料是影响超级电容器主要性能的关键因素之一，因此，制备具有优异性能的电极材料非常重要。介孔碳球具有形貌规则、比表面积高、导电性好、化学性能稳定，较大的介孔孔径有利于电解质离子快速迁移等优点，非常适用于超级电容器电极材料。例如：“一种孔径大小可控的介孔碳球材料的制备方法”(中国发明专利，申请号：201610061161.0)。“一种高度有序介孔碳球及其制备方法”(中国发明专利，申请号：201510429826.4)。中空碳球具有低密度、高比表面积、高孔体积等特点，特别是其它的中空结构，在用作超级电容器电极材料时，可以充当“离子水库”的作用，有利于降低电解质离子的传输路径。例如：“一种单层及多层空心碳纳米球、制备及其应用”(中国发明专利，申请号：201510137088.6)。“制备中空碳球的方法”(中国发明专利，申请号：201410390340.X)。可以预料，将介孔碳球和中空碳球两者的优点相结合，制备出中空介孔碳球，将在超级电容器电极材料方面具有重要的应用价值。

另一方面，碳球表面存在碳原子具有相对惰性的缺点，使得碳球表面的润湿性能较差，导致其吸附、电化学性能等不甚理想。在碳球表面引入氮原子，不仅可以增加碳球的润湿性和导电性，而且含氮功能基团可以带来准法拉第效应，提供赝电容。例如，刘蕾等人报道了“一种氮掺杂纳米级空心碳球材料的制备方法和应用”(中国发明专利，申请号：201610090913.6)，先以甲酸为催化剂制备密胺树脂微球，再将密胺树脂微球与六次甲基四胺反应，柠檬酸为催化剂，再次加入氧化石墨烯，反应1～4d，形成密胺树脂微球外包覆多层碳，然后通过高温煅烧生成氮掺杂纳米级空心碳球材料。这种制备方法繁琐、耗时，而且所得材料比表面积不高，限制了它的实际应用。

发明内容

本发明的目的在于公开一种氮功能化中空介孔碳纳米球的制备方法。用本发明制备的氮功能化中空介孔碳纳米球具有高比表面积、氮功能基团、中空结构、介孔孔道和球状几何形貌等优点，在用作超级电容器电极时，具有优良的电化学性能。

为了达到上述目的，本发明选择以四丙氧基硅烷水解生成SiO₂纳米颗粒，将其与聚合物复合，得到含SiO₂的聚合物纳米球，经碳化、除去SiO₂后得到中空介孔碳纳米球。以离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺为作为氮源，与中空介孔碳纳米球复合、碳化后制备得到氮功能化中空介孔碳纳米球。

具体的工艺是按如下几个步骤进行的：