[发明专利]一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球及其制备方法与应用

说明书

本发明属于纳米材料技术和能源科学领域，具体涉及一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球及其制备方法与应用，所述材料的制备方法包括以苯胺和吡咯为单体，在两性分子表面活性剂的水溶液中加入引发剂进行聚合反应，生成空心炭纳米球前驱体；将所得的空心纳米球前驱体在氨气与氮气混合气的氛围下进行高温碳化处理得到富氮、高比表面积的单分散空心炭纳米球，该制备方法工艺简单、成本低廉，制备的空心炭纳米球尺寸和空腔结构均匀、形貌稳定，具有比表面积高的特点。本发明还提供了一种由上述方法制成的空心炭纳米球在锂硫电池载硫正极材料中的应用。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和能源科学领域，具体涉及一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球及其制备方法与应用。

背景技术

作为一种新型多孔功能炭材料，空心炭纳米球具有高的比表面积、大孔容、低密度、优异的导电性能以及良好的热稳定性等优点，在吸附分离、催化剂载体、储氢材料、电化学传感器、锂离子电池、超级电容电极材料等领域具有广泛的应用。其中，空心炭材料的结构对性能发挥着至关重要的作用，包括孔隙结构、纳米形貌与骨架/表面掺杂官能团。比如，作为锂硫电池载硫正极材料，空心炭壳层高度发达的多孔结构能通过物理吸附抑制多硫溶出，巨大的中空内腔不仅提供体积缓冲空间，也为高载硫量提供了保证；掺杂官能团如含氮基团可改变炭骨架的电子结构，在锂硫电池中有助于增加对多硫化物的吸附能力，此外，也可以改善电催化性能或提供独特的法拉第赝电容。

然而，空心炭纳米球的物理与化学结构特征往往难以同时实现。比如，为获得较高的比表面积，一般需要采用较为苛刻的造孔技术如KOH活化，或采用较长的碳化时间。然而，这类处理方式常伴随着骨架收缩、空心纳米形貌坍塌等问题，而且富氮官能团稳定性较差，在活化或高温长时间碳化过程中大量分解，不利于富氮官能团的保持。综上所述，为了提高材料的比表面积，一般要牺牲掺杂原子或纳米形貌。因此，如何构筑兼具发达的多孔结构壳层、明确可控的纳米球纳米形貌以及丰富杂原子掺杂的官能团的空心炭纳米球材料，成为该领域亟待解决的重大挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供的一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球及其制备方法与应用，该制备方法获得的空心炭纳米球材料具有高比表面积、发达的微孔/介孔壳层-中空腔以及丰富的表面含氮官能团。

本发明的第一个目的是提供一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球，该纳米球为富氮、高比表面积的单分散空心炭纳米球，该纳米球BET比表面积为1237～2165m²/g，总孔容为0.88～1.5cm³/g，纳米球具有微孔/介孔壳层-中空腔的纳米球形貌结构，同时壳层骨架分布着丰富的含氮官能团。

本发明的第二个目的是提供一种基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球制备方法，包括以下步骤：

S1，将有机单体苯胺和吡咯加入到两性分子表面活性剂的水溶液中，搅拌20～40min，超声分散20～40min，然后于0℃恒温反应浴中静置20～40min，再加入预先冷却至0～5℃的过硫酸铵水溶液，搅拌15～30s，在0℃条件下静置反应6～24h，再将产物洗涤后在60～80℃干燥，得到空心炭纳米球前驱体；

S2，在氨气与氮气混合气的氛围下对S1所得的空心纳米球前驱体进行高温碳化处理，以每分钟上升2～5℃的速率上升至800～900℃，保温3～6h后自然降温，得到富氮、高比表面积的单分散空心炭纳米球。

优选的，上述的基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球制备方法，S1中，两性分子表面活性剂为Triton X-100。

优选的，上述的基于氨气辅助碳化的空心炭纳米球制备方法，S1中，所述反应溶液中的水、两性分子表面活性剂、吡咯、苯胺、过硫酸铵的用量比为180mL：0.06～0.48g：(0.89～1.14)mL：(1.14～1.47)mL：15mL，其中过硫酸铵溶液是将6～9g过硫酸铵溶解于15mL超纯水得到。