[发明专利]三维分级多孔空心碳球材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种三维分级多孔空心碳球材料的制备方法，包括步骤：(1)将盐和瓜儿豆胶溶于去离子水中，搅拌得到瓜儿豆胶混合溶液；(2)将步骤(1)制得的瓜儿豆胶混合溶液滴加至氢氧化钾水溶液中形成球形凝胶，在氢氧化钾水溶液中浸泡，然后干燥得到碳球材料前驱体；(3)在惰性气氛下将步骤(2)得到的碳球材料前驱体进行高温活化，然后酸洗，再用去离子水洗涤至中性，干燥后即得到三维分级多孔空心碳球材料。该方法工艺简单、条件易控制，且反应一步到位，而且无需使用任何模板剂。是一种简单、易于重复、可大规模制备高比表面积、高孔隙率的三维分级多孔空心碳球材料的方法。

技术领域

本发明属于能源与环境材料制备领域，尤其涉及一种三维分级多孔空心碳球材料的制备方法。

背景技术

多孔碳材料是许多能源和环境应用领域的核心。近几十年来，多孔碳材料经历了飞速发展，已成为现代研究的重要材料之一。目前，不同形貌的多孔碳材料，如膜、单片、棒、纤维、单晶和球等均已经被成功制备。其中，球形多孔碳材料因其丰富的孔结构、较大的比表面积、开放的孔道结构、可调节的直径及特殊的球形形貌等特征，一跃成为形貌研究中最活跃的热点之一。而多孔碳材料作为一个新的研究方向，一经出现就得到国际物理学、化学及材料学界的高度关注，并迅速发展成为跨学科的研究热点之一。

多孔材料是由相互贯通或封闭的孔洞构成网络结构的材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、高渗透性等结构特点，在能量储存、气体吸附、环境污染处理、工业催化等诸多领域发挥着重要的作用。为获得优异性能的多孔碳材料，大多数研究只关注其表面积，而忽略了孔结构的合理化。三维分级多孔纳米结构碳材料具有合理的孔径分布，结合了大孔骨架，中孔壁和微孔结构，可以提供连续的孔道通路大大减少对液体或气体离子的传递阻力，确保良好的离子接触，还可以通过缩短了扩散通路，促进离子的传输,、增加材料速率性能和有效利用率。

中空多孔结构的制备主要有以下几种方法：(1)采用硬模板法，比较有代表性的就是二氧化硅，利用这种方法可以获得不同尺寸的中空材料，优点很多，但缺点也很明显，最终碳材料尺寸完全取决于硬模板的尺寸，而且通常产量较低，另外，合成步骤较为繁琐，成本较高，一般需要使用的刻蚀剂(如氢氟酸)有很大危害；(2)采用软模板，也就是通常说的表面活性剂，利用这种方法可以获得一些小尺寸的中空介孔材料，但是要获得比较大尺寸的分级结构多孔材料，难度很大，另外最突出的缺点是产量少，成本高；(3)目前常用的合成多孔碳材料的方法：KOH刻蚀，但通常这种刻蚀分为两步，第一步是碳化，第二步再用KOH刻蚀才能得到比表面积较高的碳材料，步骤较为繁琐，而且合成的材料在宏观尺度上也很难具备分级的多孔结构。

目前，制备分级多孔纳米结构的碳球材料主要使用硬模板法，正如上文所述，采用硬模板法，成品尺寸完全取决于硬模板的尺寸，而且通常产量较低，另外，合成步骤较为繁琐，成本较高，而需要用到的有机溶剂、氢氟酸有很大危害。如果能够提供一种简单、低成本并可大规模生产的制备方法，能够制备得到高比表面积、高孔隙率、合理孔结构的分级多孔碳球材料，将具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种三维分级多孔空心碳球材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将盐和瓜儿豆胶溶于去离子水中，搅拌得到瓜儿豆胶混合溶液(搅拌均匀后，混合溶液可能具有较高的粘度)；所述盐为硝酸铜、硝酸钴、硝酸镍、氯化铜、氯化钴或氯化镍；所述瓜儿豆胶混合溶液中，盐的浓度为0.005～1mol/L，瓜儿豆胶的浓度为1～10g/L；

(2)取步骤(1)制得的瓜儿豆胶混合溶液滴加至氢氧化钾水溶液中形成球形凝胶，在氢氧化钾水溶液中浸泡1～240h(这里实际上是指两种溶液混合后的溶液，即，两种溶液完全混合后，放置1～240h)，然后干燥得到碳球材料前驱体；所述氢氧化钾水溶液的浓度为0.1～10mol/L；