[发明专利]金属离子催化诱导制备形貌可调的介孔空心碳球及其应用

说明书

本发明公开了一种金属离子催化诱导制备形貌可调的介孔空心碳球及其应用，将TEOS，盐酸多巴胺以及硝酸金属盐溶解在乙醇和去离子水的混合物中，然后剧烈搅拌1‑2 h后，加入浓氨水，室温搅拌12h，得到球形的胶体前驱物，而后在管式炉氩气氛围中煅烧，得到空心硅碳球，之后用氢氧化钠溶液在50‑80℃温度下除去多余二氧化硅，得到介孔空心碳球，其由于大的空隙和比表实现了快速的离子和电子传输，从而展现出良好的倍率性能以及优异的循环稳定性。

技术领域

本发明属于钠金属电池负极材料的制备领域，具体涉及一种金属离子催化诱导制备形貌可调的介孔空心碳球及其应用。

背景技术

当代智能电子设备、移动设备和储能市场迅速增加，对移动电源产生巨大的需求。锂离子电池(LIB)具有高能量密度和长循环寿命的优点，在二次电池领域得到广泛应用。但是近年来随着LIB的不断应用，锂的价格迅速抬高，且锂在地壳中的含量也较少。钠基电池由于其同锂相似的电化学特性和丰富的钠储备，可作为目前商业化的锂离子电池的潜在替代品而受到广泛关注。但钠离子电池因缺乏匹配合适的负极材料而制约其实际应用，碳基负极材料是一类非常有应用前景的储钠负极材料。介孔空心碳球由于规则的小直径、中空空间、薄壳和高表面积等独特优势，可以为电荷保持和高能量存储提供足够的活性位点、空间和传输通道。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用金属离子催化诱导制备形貌、组成可调的介孔空心碳球的方法，能够合成具有大比表面积并能有效调节碳材料结构，从而获得超高倍率和超长循环寿命的储钠碳负极。我们选用正硅酸乙酯TEOS作为硅源模板，盐酸多巴胺作为缩合剂，金属原子作为金属掺杂原位合成空心硅碳球，调节不同金属比例并通过碱处理合成出形貌各异的介孔空心碳球（MHCS-金属离子）。

为实现上述技术方案，本发明采用如下技术方案：

一种利用金属离子催化诱导制备形貌、组成可调的介孔空心碳球的方法，包括以下步骤：

将200-500mgTEOS，0.001-0.005mol 盐酸多巴胺以及1-10mmol硝酸盐（Cu, Zn,Fe, Bi和Ni等）溶解在乙醇(10-50毫升)和去离子水(60-80毫升)的混合物中，然后剧烈搅拌1-2 h后，加入1-2ml浓氨水，室温搅拌12h，得到球形的胶体前驱物，而后在管式炉氩气氛围中700-900℃保持8-12h，获得得到空心硅碳球，之后用0.5-3 mol /L的氢氧化钠溶液在50-80℃温度下出去其中多余二氧化硅，得到介孔空心碳球（MHCS）。

本发明的合成机理：通过盐酸多巴胺和金属框架的协同作用制备了不同形貌和组分可调的介孔空心碳球(MHCS)。将盐酸多巴胺引入正硅酸四乙酯(TEOS)的同时缩聚过程中，可作为自组装过程中的额外碳源。在金属催化作用下，盐酸多巴胺在碳化过程中容易收缩，有利于空心碳结构的形成（见附图2g-i）。但只有在盐酸多巴胺的帮助下得到的硅氧-碳化物复合材料具有很厚的壳。引入金属与盐酸多巴胺络合并烧结，通过不同的配位和催化作用可以调节和促进不同形貌的空心结构的形成。添加剂盐酸多巴胺和金属离子可以促进正硅酸乙酯的二次缩聚产率，说明它们参与了自底向上的自组装和缩聚过程。此外，空心球烧结后通过碱水去除氧化硅，产生介孔结构。介孔空心碳球XPS总谱已经列出其包括C,N,O,金属离子（碳为主要成分）。

上述介孔空心碳球在在钠金属电池中的应用：钠金属电池组装：MHCS：CMC：碳黑质量比＝80-85：5-10：10-15混合研磨后均匀地涂在1.2 cm2的铜箔上做负极，正极为金属钠，电解质电解液为1.0M NaPF₆的DEGDME溶液。电池组装在氩气保护下手套箱里进行（氧气和水分含量均低于1ppm）。

本发明的有益效果在于：

发明的金属离子催化诱导制备形貌可调的介孔空心碳球，其由于大的空隙和比表实现了快速的离子和电子传输，从而展现出良好的倍率性能以及优异的循环稳定性。其成本低、性能优异，材料结构稳定，在高性能钠离子电池体系中有着良好的应用前景。