[发明专利]一种多孔中空碳纳米片制备及应用

说明书

本发明涉及储能用多孔碳电极材料，具体涉及一种多孔中空碳纳米片制备及应用，该制备方法包括如下步骤：A、制备碳前体；B、制备多孔中空碳纳米片。制备的碳纳米片为多孔中空结构，孔隙率可调(2.0‑6.0cm³/g),厚度为20‑300nm。所述中空碳纳米片含有N元素，同时还含有异质元素P、S、B中的一种或两种以上。所述中空碳纳米片中N元素的含量以及所述异质元素P、S、B中的一种或两种以上的总的质量含量分别为2％‑7％。与现有技术相比，本发明具有如下优点：制备方法简单，原料来源广泛，价格低廉，工艺条件易控制，操作成本低，极具工业化前景。本发明的多孔中空碳纳米片比表面积大，孔隙发达且可调节，在电化学电容器及锂硫电池电极材料领域有着广泛地应用。

技术领域

本发明涉及储能电极材料技术领域，具体涉及一种多孔中空碳纳米片制备及应用。

背景技术

随着石油能源短缺问题的日益突出和人们环保意识的逐渐增强，具有高能量密度的锂硫电池与具有高功率密度的超级电容器等储能器件越来越多的引起人们的广泛关注。多孔碳电极材料因其良好的化学稳定和导电性被认为最有潜力的电极材料。然而其电极材料仍然面临诸多挑战，通过传统活化法制备的电极材料多为微孔碳，孔道狭窄，孔隙率低，无法提供足够电解液离子传输通道和实现高的硫负载量。

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，制备了一种多孔中空碳纳米片，所述的碳纳米片为多孔中空结构，其中具有50-100nm直径的大孔，大孔所占孔容40％-80％，具有2-50nm直径的介孔，介孔所占孔容10％-50％，具有小于2nm直径的小孔，小孔所占孔容10％-30％；孔隙率可调(2.0-6.0cm³/g)，厚度为20-300nm。所述中空碳纳米片含有N元素，同时还含有异质元素P、S、B中的一种或两种以上。所述中空碳纳米片中N元素的含量以及所述异质元素P、S、B中的一种或两种以上的总的质量含量分别为2％-7％，所制备的多孔中空碳纳米片具有较高的比表面积和孔隙率，能够提供足够的活性位及良好的传质通道。本发明采用以下具体方案实现的：

(1)制备碳前体：将多元醇和无机酸搅拌均匀后并加热抽真空使其发生酯化反应，将含氨基化合物的分散液加入所得反应产物中，再次混合均匀后加热使其发生成盐反应，得到碳前体悬浮液：

(2)一定质量前体以纳米氧化硅混合均匀；

(3)制备多孔中空碳纳米片：将步骤(2)所得的材料在惰性气氛下高温碳化并除去氧化硅即得多孔中空碳纳米片。

步骤(1)中所述多元醇与无机酸的物质的量的比为2：1-1：8；所述无机酸与氨基化合物的物质的量的比为5：1-1：5。

步骤(1)中所述溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇或两种及两种以上的混合液；所述多元醇为季戊四醇、木糖醇、山梨醇中一种或两种以上；所述无机酸为硼酸、磷酸、硫酸、硝酸中一种或两种以上；所述氨基化合物为尿素、三聚氰胺、氰胺、氨基酸中一种或两种以上。

步骤(1)中所述含氨基化合物的分散液质量浓度为3-50％。

步骤(1)中所述酯化反应的条件为于70-200℃下反应0.5-5h；真空度为0.03-0.2Mpa，所述成盐反应条件为30-150℃温度下反应2-24h。

步骤(2)中所述纳米氧化硅为10nm氧化硅球、30nm氧化硅球、MCM-41、SBA-15等介孔硅中的一种或两种。

步骤(2)中所述纳米氧化硅与碳前体的质量比为1:100-1:1

步骤(3)中所述碳化处理条件为：升温至300-600℃并保持0.5-3h，继续升高温度至700-1100℃，保持此温度0.5-3h，冷却至室温。

步骤(3)中所述碳化处理条件为以升温速率为2-10℃/min