[发明专利]一种碳空心球气凝胶、其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳空心球气凝胶、其制备方法与应用。所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由微孔、介孔和宏孔组成的纳米多孔结构。所述制备方法包括：将碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液混合均匀，形成二维材料‑碳空心球前驱体复合分散液，之后加入还原剂，混合均匀并静置，形成复合水凝胶；再对所述复合水凝胶进行老化、溶剂置换、干燥和碳化等处理，获得碳空心球气凝胶。本发明所获碳空心球气凝胶性能优异，并可实现连续化生产，在电化学储能和能源转换等领域具有巨大的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种碳空心球气凝胶，尤其涉及一种碳空心球气凝胶及其制备与应用，属于纳米多孔材料技术领域。

背景技术

气凝胶是由纳米级别的胶体粒子单元组建而成的多孔固体材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低热导率等独特性能，在诸多领域有着重要的应用，如作为储能材料、污水处理、保温隔热等。

目前气凝胶的生产中都是先通过分子组装成纳米单元，然后纳米单元组装成凝胶，凝胶经过干燥最终得到气凝胶，如传统的二氧化硅气凝胶就是首先通过正硅酸乙酯(Si(OC₂H₅)₄，简称TEOS)形成纳米二氧化硅颗粒，然后颗粒堆积形成连续的三维空间网络得到二氧化硅凝胶，最终通过干燥得到二氧化硅气凝胶(文献Journal of colloid andinterface science,1998,197(2):353-359)。传统的气凝胶的纳米构建单元形貌等特性不可控，因此不利于气凝胶的功能化制备与应用。例如上述的二氧化硅气凝胶制备过程中二氧化硅颗粒的生长难以进行精确调控。此外，目前气凝胶的功能化主要是通过与其他材料进行复合，如石墨烯气凝胶的功能化主要将功能粒子等材料与石墨烯混合得到功能化气凝胶，但是功能粒子在气凝胶内分布不均以及功能粒子的脱落等问题严重限制了气凝胶在实际生产中的应用。虽然目前已经有直接利用功能化的纳米单元组装得到的气凝胶，如利用CdS,ZnS,PbS,CdSe等半导体材料的纳米粒子组装成气凝胶(文献Science,2005,307(5708):397-400)，但获得的气凝胶比表面积较小，且多为粉体，难以得到高比表面积的块体气凝胶材料。因此，目前迫切需求对气凝胶结构进行可控设计，以期制备出具有特殊结构和功能的气凝胶材料。鉴于所述需求，设计并提出一种结构新颖的气凝胶及相应制备方法，来达到简化工艺、缩短生产周期、降低成本的目的，实现气凝胶材料的快速功能化生产，成为业界亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种碳空心球气凝胶及其制备方法，以克服现有技术中的不足。

本发明的又一目的在于提供前述碳空心球气凝胶的应用。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种碳空心球气凝胶，所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的宏孔组成的纳米多孔结构。

优选的，所述碳空心球气凝胶的孔径为0.1～1000nm，尤其优选为0.1～500nm，比表面积为100～3000m²/g，孔容为0.1～10cm³/g，孔隙率为30～99％，堆积密度小于70mg/cm³，电导率为100～5000S/m，比电容为50～500F/g。

作为优选方案之一，所述碳空心球包括纯碳空心球、氮掺杂碳空心球、硼掺杂碳空心球和磷掺杂碳空心球中的任意一种或两种以上的组合。

进一步的，所述碳空心球的直径为5～500nm。