[发明专利]一种碳空心球复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种碳空心球复合材料的制备方法，首先制备碳‑氮复合物层覆盖的二氧化硅球（SiO₂@C‑N），并将它酸化处理；在酸化后的SiO₂@C‑N上沉积氧化锌纳米颗粒，或沉积氧化锌纳米棒，得到SiO₂@C‑N/ZnO；随后再在中性环境下，将聚多巴胺沉积在SiO₂@C‑N/ZnO表面，得到SiO₂@C‑N/ZnO@PDA；进一步在高温下热解SiO₂@C‑N/ZnO@PDA，在氧化锌表面沉积碳‑氮复合物，得到SiO₂@C‑N/ZnO@C‑N；最后分别在盐酸和氢氟酸作用下除去氧化锌与二氧化硅球，得到碳空心球复合材料。这种新型的碳空心材料充分结合了不同形状碳空心材料的特点，表现出特殊的微观结构，并具有巨大的表面积；同时通过氮元素的掺杂，使这种复合材料的电化学性质更加优异，在能源电化学领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于电化学材料技术领域，具体涉及到一种碳空心球复合材料的制备方法与应用。

背景技术

碳材料，尤其是新型纳米碳材料在许多方面领域都具有广泛的应用价值。纳米碳材料主要包括三种类型:碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。最近二十年来，人们对碳纳米技术进行了深入的研究，制备出多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等不同形状的碳材料。碳纳米材料中的纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。并且以碳元素为唯一构成元素的新碳素材料还在不断地被发现和人工制得。事实上，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此之多的结构与性质完全不同的物质。

在研究与应用实践中，人们不断发现了碳素材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面比其它材料更加优异，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的特性，如最硬-最软，绝缘体-半导体-良导体，绝热-良导热，全吸光-全透光等，因此具有广泛的用途。尤其是最近二十多年来，碳材料在能源电化学领域更是得到了深入的研究与应用，而且不同微观形状的碳材料具有不同的电化学性质，所以研究、开发不同结构形貌的碳材料具有重要的实际应用意义。

碳球在碳材料中具有特殊的性能和结构，根据尺寸大小可将碳球分为：(1)富勒烯族系和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2-20nm之间)；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm-1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为碳空心球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等，其中的碳空心球由于特殊的结构和性质，在电化学领域得到广泛应用。

一维的碳材料主要有碳纳米管、碳纳米纤维、碳纳米棒等，它们具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合一维碳纳米材料的导热导电特性，能够制备自愈合材料；此外，这种一维的碳纳米材料在电化学能源领域也得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种碳空心球复合材料的制备方法，本发明的目的还提供了一种碳空心球复合材料的制备方法与应用。

为达到上述目的，本发明的实施方案为：一种碳空心球复合材料的制备方法，包括以下步骤：

（1）采用现有技术（H. Li, J. Zhao, R. Shi, et al., Applied SurfaceScience, 2018, 436:803–813），制备碳-氮复合物包覆的二氧化硅球（SiO₂@C-N）；

（2）将上述SiO₂@C-N颗粒放入温度为50^oC的20 wt%硝酸溶液中，充分搅拌，离心分离，固体用水反复洗至中性，再用无水乙醇洗，室温下干燥，得到酸化SiO₂@C-N；