[发明专利]含氮的石墨化空心碳微球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及空心碳微球的制备方法。

背景技术

石墨化碳空心球因具有密度小、稳定性好和可填充中空结构等特点，受到了研究者的广泛关注。含氮的石墨化空心碳微球具有的特殊组成和微观结构，使其在新能源、生物医药、环境污染治理等诸多方面表现出良好的应用前景。现有的含氮的石墨化空心碳微球的制备方法都是利用模板法首先合成树脂微球，然后通过热裂解得到最终产物。模板剂的引入不但使制备过程复杂化，提高制备成本，并且在后续的去除模板剂过程也容易造成环境污染。因而开发一种无模板的简单制备方法尤其必要。

发明内容

本发明是要解决现有的含氮的石墨化空心碳微球的制备方法因利用模板剂而使制备过程复杂、成本提高的技术问题，而提供含氮的石墨化空心碳微球的制备方法。

本发明的含氮的石墨化空心碳微球的制备方法按以下步骤进行：

一、将三聚氰胺粉末与质量浓度为37％的甲醛溶液加入到去离子水中，调节pH值至5.5～9.0，然后加热至40～60℃并搅拌10min～30min，再升温至80～90℃并静置10min～30min，得到反应液；其中三聚氰胺与甲醛的摩尔比为(1.5～6)∶1；

二、将步骤一得到的反应液转移至内衬有聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，密封后，并放在温度为120～200℃的烘箱内反应3～12h，取出反应釜自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，再将固相物依次用去离子水和无水乙醇洗涤，室温晾干后，得到三聚氰胺树脂微球；

三、将步骤二得到的三聚氰胺树脂微球放到石英管式炉内，通入流速为10～100mL/min的高纯氮气保护，并以1～10℃/min的速度将石英管式炉升温至600～800℃并保温2～12h，再随炉冷却到室温，得到含氮的石墨化空心碳微球。

其中步骤三中所述的高纯氮气中氮气的质量百分数≥99.99％。

本发明先采用水热法合成合成的平均直径为2～7微米的单一分散的三聚氰胺树脂微球，然后再用热分解碳化法热裂解得到平均直径为1～5微米含氮的石墨化空心碳微球。制备过程中不用添加模板剂和催化剂，合成方法制备过程简单，成本低，易于大规模生产。得到的含氮的石墨化空心碳微球可用于电化学超级电容器、锂离子电池、燃料电池等领域作为电极材料或者电极活性物质的载体材料使用。

附图说明

图1是试验一经步骤二得到的三聚氰胺树脂微球的扫描电镜照片；

图2是试验一经步骤二得到的破碎的三聚氰胺树脂微球的扫描电镜照片；

图3是试验一经步骤三得到的含氮的石墨化空心碳微球的扫描电镜照片；

图4为本试验一制备的含氮的石墨化空心碳微球的高倍透射电镜照片；

图5为本试验一制备的含氮的石墨化空心碳微球的XRD谱图；

图6为本试验一制备的含氮的石墨化空心碳微球的拉曼光谱图；

图7为本试验一制备的含氮的石墨化空心碳微球N1sXPS谱图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的含氮的石墨化空心碳微球的制备方法按以下步骤进行：

一、将三聚氰胺粉末与质量浓度为37％的甲醛溶液加入到去离子水中，调节pH值至5.5～9.0，然后加热至40～60℃并搅拌10min～30min，再升温至80～90℃并静置10min～30min，得到反应液；其中三聚氰胺与甲醛的摩尔比为(1.5～6)∶1；

二、将步骤一得到的反应液转移至内衬有聚四氟乙烯的不锈钢水热反应釜中，密封后，并放在温度为120～200℃的烘箱内反应3～12h，取出反应釜自然冷却至室温，将得到的产物离心分离，再将固相物依次用去离子水和无水乙醇洗涤，室温晾干后，得到三聚氰胺树脂微球；

三、将步骤二得到的三聚氰胺树脂微球放到石英管式炉内，通入流速为10～100mL/min的高纯氮气保护，并以1～10℃/min的速度将石英管式炉升温至600～800℃并保温2～12h，再随炉冷却到室温，得到含氮的石墨化空心碳微球。

本实施方式先采用水热法合成合成的平均直径为2～7微米的单一分散的三聚氰胺树脂微球，然后再用热分解碳化法热裂解得到含氮的石墨化空心碳微球。制备过程中不用添加模板剂和催化剂，合成方法制备过程简单，成本低，易于大规模生产。得到的含氮的石墨化空心碳微球可用于电化学超级电容器、锂离子电池、燃料电池等领域作为电极材料或者电极活性物质的载体材料使用。