[发明专利]一种形貌可控调节的氮载炭纳米囊及其制备方法与应用在审

专利信息
申请号: 202010197044.3 申请日: 2020-03-19
公开(公告)号: CN111377431A 公开(公告)日: 2020-07-07
发明(设计)人: 赵斌元;王礼建;宁月生;赖奕坚 申请(专利权)人: 上海交通大学
主分类号: C01B32/15 分类号: C01B32/15;B82Y30/00;B82Y40/00
代理公司: 上海光华专利事务所(普通合伙) 31219 代理人: 许亦琳;余明伟
地址: 200240 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 形貌 可控 调节 氮载炭 纳米 及其 制备 方法 应用
【说明书】:

发明公开了一种形貌可控调节的氮载炭纳米囊及其制备方法与应用。所述方法包括将SiO2纳米球溶于溶剂中,添加间苯二酚,乙二胺和甲醛,加热,滴加正硅酸四乙酯,碳化,保温等步骤。本方法制备的氮载中空炭纳米囊尺寸均匀、形貌可控、工艺简单、比表面积高以及高氮载量,适用于多方面应用领域,例如可以用于制备超级电容器。

技术领域

本发明属于纳米材料技术和能源科学领域,具体涉及一种形貌可控调节的氮载炭纳米囊及其制备方法与应用。

背景技术

中空碳纳米胶囊是一类重要的碳纳米材料,其具有独特的特性,例如高的表面体积比,低密度,大的空穴空间以及良好的导电性,使其具有广泛的应用前景。比如作为能源器件电极材料(超级电容器和锂离子电池),中空大孔腔可以充当阴离子缓冲储集层,以缩短电解质离子的扩散距离,而其超高的比表面积,较大的表面积与体积比,以及壳中的中孔和微孔互连孔道,能够促进离子扩散。此外,气体储存中高孔容可以大大提高储存性能。在作为药物与催化剂载体方面,中空空腔提供了丰富的可容纳药物/催化剂的空间,提高其负载量以及缓释/催化效果等等。

另一方面,未掺杂的碳材料由于其具有疏水性表面,以及有限的电化学双层电容(EDLC) 存储机制和能量密度,阻碍了它们的实际应用。所以,在炭材料中适当引入一些杂原子如N、 O和S等,可增强材料的电子传导性、表面润湿性和赝电容效应,使得多孔碳材料作为电极材料表现出更好的电化学性能。特别地,由于氮原子具有较低的原子半径和较高的电负性,将其引入到具有分级多孔结构的碳材料中,可以为电极材料提供活性位,提高电导率和促进电子转移,从而使碳材料具有出色的电化学性能。

目前为止,文献中已报道出多种具有独特结构的炭纳米囊,例如芯-壳结构,多壳空心球,囊泡,纳米管等异型中空碳材料。然而,由于缺乏简便和通用方法,其他具有几何形貌或结构的空心碳尚未报道。同时,现有报道的炭纳米囊材料仍存在着很大的局限性,例如其通常具有明显的缺陷以及内部空穴体积占据了太大的空间,而颗粒的尺寸和厚度却不均匀,很多参数难以控制。

因此,从开发多种形貌的碳纳米囊出发,如何找到一种工艺简单、尺寸可控及形貌可调的高比表面积氮载中空炭纳米囊材料制备方法,是一项很有意义的挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种形貌可控调节氮载炭纳米囊材料制备方法和应用,用以解决现有技术的不足。

本申请通过协同调节炭壳的厚度和孔隙率,可以可控地获得从中空球,低凹,半凹到起皱的圆盘状4种不同形貌的氮载中空炭纳米囊。氮载中空炭纳米囊尺寸均匀、形貌可控、工艺简单、比表面积高以及高氮载量,适用于多方面应用领域。

为实现上述目的及其他目的,本发明是通过以下技术方案实现的:

一种形貌可控调节氮载炭纳米囊材料的制备方法,包括以下步骤:

1)将SiO2纳米球均匀分散在溶剂中,所述溶剂包括乙醇和水,加热,搅拌均匀,得混合溶液;

2)在加热搅拌下,将间苯二酚,乙二胺和甲醛添加到步骤1)中所制备的混合溶液中;

3)继续加热搅拌,滴加正硅酸四乙酯,在加热搅拌条件下反应8~24小时,分离沉淀物,并烘干;

4)将产物在惰性气氛保护下,先在200~400℃的温度下预碳化1~5小时,然后以2~ 10℃/min的升温速度升温至600~900℃,并保温1~5小时;

5)将步骤(4)中得到的产物浸泡在适量的氢氟酸中8~24h,即可得到氮载炭纳米囊。

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