[发明专利]一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，包括：以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/细菌复合模板；以及在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。本发明还提供了由所述方法制备的双模板多级多孔碳基材料及其应用。本发明的多级多孔碳基材料的模板来源于生活中广泛存在的细菌，易大量制备，易于在工业化生产中实施；并且所选材料对环境无毒无害，几乎无污染；该制备方法解决了现有工艺中难以控制材料表面形貌生长的问题。

技术领域

本发明涉及纳米材料及电化学技术领域，尤其涉及一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法和应用。

背景技术

硫是一种广泛存在于自然界中的一种非金属元素，且单质硫及硫化合物广泛存在于各种矿物和大气中。单质硫具有相对分子质量小、与锂反应转移电子数较多等特点，以硫单质为正极材料的硫锂电池的理论比容量高达1675mAh/g，理论能量密度高达2600Wh/kg，明显高于目前商业化的锂离子电池。此外，硫价格低廉、环保易得，在化学电源储能、改善现有电池对环境的污染等方面有广阔的应用前景。但是在室温下单质硫是典型的电子离子绝缘体(5*10^-30S/cm)，因此单质硫作为正极活性物质时活化难度高、活性物质利用率低。此外放电时产生的中间产物多硫化锂会大量溶解于电解液中，造成正极活性物质的流失并导致循环寿命降低，并且单质硫充放电过程中物质形态转化时体积膨胀效应高达80％，导致电极粉碎、破坏；此外，锂硫电池最终放电产物Li₂S₂/Li₂S会沉积在极片上形成绝缘的多硫化锂薄膜，减缓电池材料氧化还原反应动力学。上述问题导致锂硫电池的活性物质利用率低，容量衰减迅速。因而研究如何提高硫利用率显得至关重要。

多级多孔碳基材料具有物理化学性质稳定、比表面积高、孔容量高、导电性高等优点，作为单质硫的储存基体材料，其丰富的孔道结构不仅可以储存大量的单质硫，提高电极导电率，还可以抑制充放电过程中的多硫化锂的扩散，因此硫碳复合正极材料在锂硫电池中获得广泛研究和应用。

碳元素以化合物形式广泛分布于生物体内，生物体内膜结构、骨架结构众多，如细胞内蛋白质骨架、细胞内细胞器膜等，且生物体内有机物一般含磷、氮元素，磷氮元素的经碳化处理后可以直接得到均匀多孔的磷氮掺杂碳材料。而细菌具有形状各异、组成元素多样化等特点，可以作为生物质模板构建具有优异结构的碳基材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法，该多级多孔碳基材料的模板来源于生活中广泛存在的细菌，易大量制备，易于在工业化生产中实施；并且所选材料对环境无毒无害，几乎无污染。该制备方法解决了现有工艺中难以控制材料表面形貌生长的问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，包括：

以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/ 细菌复合模板；以及

在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；

其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。

本发明中，所述碳源优选为氮掺杂的碳源，如聚苯胺、聚吡咯、多巴胺等。氮掺杂可以提高碳基材料对多硫化物的吸附作用，同时改善碳基材料的极性及导电率。

本发明中，以细菌和形成于细菌表面的介孔二氧化硅层为双模板，在介孔二氧化硅的孔道中合成碳源，经碳化、去除介孔二氧化硅模板后，得到了具有多级结构的多孔碳基材料，该碳基材料的形貌易于控制，且表面具有纳米孔结构，比表面积大，是良好的储硫材料，在锂硫电池中具有广泛的应用前景。