[发明专利]高孔体积氟掺杂空心碳球及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高孔体积氟掺杂空心碳球及其制备方法和应用，采用不同粒径二氧化硅或/和硅纳米微球作为纳米形貌控制剂，氟聚合物微粉作为刻蚀剂、碳源与氟源，仅仅通过一步煅烧工艺原位制备高孔体积氟掺杂空心碳球，其制备方法简单易控制、稳定性好、绿色环保，所制备的高孔体积氟掺杂空心碳球的粒径大小、氟掺杂量、比表面积、孔径分布可控，具有分级多孔结构、高比表面积与孔体积、吸附能力强，在电化学储能、催化和污水处理吸附等方面具有广阔的应用前景。

技术领域：

本发明涉及纳米储能材料与器件技术领域，具体涉及一种高孔体积氟掺杂空心碳球及其制备方法和应用。

背景技术：

高孔体积空心碳球在电化学储能、催化、吸附等领域具有广阔的应用前景，尤其在锂硫电池储能电源方面，占据着研究的中心位置。高孔体积空心碳球的高电导率、结构稳定、物理限域可有效解决锂硫电池的主要瓶颈问题：硫正极的导电性低、体积变化、多硫化物的溶解和扩散等。高孔体积空心碳球中典型的微孔/介孔可以提供较多的离子储存活性位点及易于离子传输的通道，从而提高锂硫电池的容量和倍率性能。此外，杂原子掺杂也被证明是一种增加碳材料电子导电性，同时有效抑制穿梭效应的有效方法。

目前，高孔体积杂原子掺杂空心碳球的主要制备方法为硬模板法。该方法首先通过碳质前驱体在硬模板剂外围组装、络合或者吸附，然后经碳化、去除模板剂等过程得到高孔体积杂原子掺杂空心碳球。该方法合成过程中大多存在如下不足：一、工艺过程复杂，如使用氢氟酸等刻蚀剂刻蚀模板，步骤繁琐，同时可对环境产生较大危害；二、无法做到对球体表面参数进行简单有效的调控。所以，通过简单有效、稳定性好的方法实现高孔体积杂原子掺杂空心碳球可控高效制备具有重要经济价值，对推动电化学储能、催化、吸附等领域的发展无疑具有重要的意义。

专利CN104445149A公开了一种高含氧量的空心碳球的制备方法。该方法将淀粉、草酸、碳酸氢钾、碳酸钾和水置于密封容器中，静置后过滤、干燥、碳化、洗涤即制得高含氧量的空心碳微球。该技术所制备空心碳球孔径分布不均匀，结构难于控制，对材料的性能产生严重负面影响。Bin(J.Am.Chem.Soc.2017,139,13492-13498)则以间位氨基苯酚和甲醛作为碳源和氮源通过聚合反应制备了一种氮掺杂的碳球，并通过丙酮浸泡将其变成了空心结构。但是该方法工艺比较复杂，并且会浪费大量的溶剂和碳源，使成本大大的增加，从而阻碍了其工业规模化，极大的限制了其实际应用。

发明内容：

本发明的目的是提供一种高孔体积氟掺杂空心碳球及其制备方法和应用，采用不同粒径二氧化硅或/和硅纳米微球作为纳米形貌控制剂，氟聚合物微粉作为刻蚀剂、碳源与氟源，仅仅通过一步煅烧工艺原位制备高孔体积氟掺杂空心碳球，其制备方法简单易控制、稳定性好、绿色环保，所制备的高孔体积氟掺杂空心碳球的粒径大小、氟掺杂量、比表面积、孔径分布可控，具有分级多孔结构、高比表面积与孔体积、吸附能力强，在电化学储能、催化和污水处理吸附等方面具有广阔的应用前景。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种高孔体积氟掺杂空心碳球，孔体积最高达7.3cm³/g，具有分级多孔结构，所述高孔体积氟掺杂空心碳球以不同粒径二氧化硅或/和硅纳米微球作为形貌控制剂，氟聚合物微粉作为刻蚀剂、碳源与氟源，通过一步煅烧工艺原位制得，所述高孔体积氟掺杂空心碳球的粒径大小、氟掺杂量、比表面积、孔径分布具有可调控性，通过改变二氧化硅或/和硅纳米微球粒径、原料的比例、升温速率、煅烧温度条件进行调控。

其制备方法具体如下：将质量比为1:3～1:24二氧化硅或/和硅纳米微球与氟聚合物微粉混合均匀置于刚玉舟内，然后放入管式炉中；通入惰性气体，然后升高温度至600～1200℃，升温速率为3～20℃/min，并保持1～5小时，冷却至室温，得到高孔体积氟掺杂空心碳球。