[发明专利]一种氮掺杂空心碳/石墨球纳米材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种氮掺杂空心碳/石墨球纳米材料及其制备方法。本发明首先以球状氧化亚铜为硬模板剂，用有机碳源、有机氮源通过水热反应形成有机/无机复合物，然后在惰性气氛下进行高温焙烧，得到铜/含氮碳/石墨球状纳米复合材料，最后除去上述复合材料中的铜即得到球状氮掺杂空心碳/石墨纳米材料。本发明的材料具有内部空心结构，球壳厚度可以调整，具有较高的氮掺杂量。另外，本发明中采用的制备方法简单易行，所用的模板可回收，成本低，重复性好，易于规模化生产。

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂空心碳/石墨球纳米材料及其制备方法，属于无机纳米材料技术领域。

背景技术

新能源的开发利用是当今人类社会的一个重要课题。能源的存储和转换为新能源的出现和应用提供了保障基础。在众多的储能系统中，超级电容器由于循环寿命长，环境友好，安全以及比能量密度高等优点，受到了人们的极大关注。电极材料是超级电容器的性能一个关键影响因素，因此对于高比电容量的电极材料的制备和性能研究是超级电容器研究的重点。

碳/石墨材料由于其独特的形貌和性能,一直受到人们的广泛关注，根据碳/石墨材料的形态不同，可分为碳管、碳微球、碳纤维等，其中碳微球根据其结构的不同，又可分为实心碳微球和空心碳微球。其中，空心碳微球由于具有大的空腔结构、大的比表面积、良好的化学和热稳定性，因此被广泛应用在气体存储介质，超级电容器，燃料电池，催化剂等领域。而空心多孔碳/石墨球作为两者结构的结合，拥有更加优异的性能，更为广泛的应用领域。

近年来，随着空心碳微球材料的制备及其功能化改性相关研究的日益深入，杂原子如N、S和B等掺杂碳材料在决定材料性能方面起着十分重要的作用，因为它们能够通过改变电子和晶体结构提高材料的表面极性、导电性、表面碱性和生物相容性等性能。比如，掺杂氮在碳的骨架中增强了导电性、稳定性、催化活性等，使得氮掺杂碳在催化剂载体，CO₂吸附、超级电容器等方面有着潜在的应用前景。

经过这些年的研究发展，空心碳微球的制备方法日渐成熟,总体来说,可以分为以下几类:模板法(软模板和硬模板)、化学气相沉积法(CVD)和水热法。其中化学气相沉积法制备空心碳球的温度比较高，而且产物中容易形成空心纤维；水热法制备空心碳球形貌可控性较差，而模板法制备空心碳球形貌可控性较好，且可以通过改变模板和碳源的方法控制空心碳球的各项结构参数。目前，软模板法常采用有机表面活性剂作模板，通过前驱体分子和表面活性剂之间的自组装过程，产生孔或者空心结构。在焙烧后除去模板剂，从而得到空心结构的碳球。这种方法重复性比较差，空心球不容易控制合成。硬模板剂法通常是用事先合成的单分散球体如球状SiO₂、聚合物乳胶粒子(PS)等做硬模板剂。在制备空心碳球的过程中，往硬模板剂表面上的包裹一层高分子聚合物，然后经过高温焙烧，使得硬模板剂表面的有机聚合物被碳化，从而得到碳包覆硬模板剂的复合球体。除去二氧化硅等模板剂后就得到空心碳球。这种方法重复性好，通过控制作为硬模板剂球体的大小，可以获得不同大小的空心碳球。

总之，用硬模板剂可以获得重复性良好的空心球，但是由于目前所用的硬模板主要是二氧化硅或高分子球，加热温度最高不超过850度，无法得到空心石墨球。同时硬模板剂不可回收和重复利用，这在一定程度上增大了模板制备法的成本。另外很多人只是关心空心球的形成，很少关注空心球壳的厚度问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种球壳厚度可以调节、氮掺杂量可以控制的杂元素空心碳/石墨球纳米材料及其制备方法。空心球的大小可以根据所选用模板剂的大小进行调制。