[发明专利]一种碳空心球复合材料及其制备方法与应用

摘要

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。

主权项

1.一种碳空心球复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）采用现有技术（H. Li, J. Zhao, R. Shi, et al., Applied Surface Science, 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；（3）在上述酸化SiO₂@C‑N的球面上生长氧化锌纳米颗粒，得到SiO₂@C‑N‑ZnO；（4）将多巴胺溶于磷酸根离子浓度为0.2 mol·L^‑1的PBS缓冲溶液中，再加入上述步骤（3）的SiO₂@C‑N‑ZnO，保持多巴胺的浓度为15 mg·mL^‑1，保持SiO₂@C‑N‑ZnO的浓度为（1~15）mg·mL^‑1，充分搅拌形成均匀分散液；随后在缓慢搅拌下，将过硫酸铵浓度为20 mg·mL^‑1的PBS缓冲溶液加入到等体积的上述均匀分散液中，继续缓慢充分搅拌，最后过滤，水洗，40^oC下真空干燥，得到聚多巴胺覆盖的SiO₂@C‑N‑ZnO，记为SiO₂@C‑N/ZnO@PDA；（5）将上述步骤（4）中的SiO₂@C‑N/ZnO@PDA在氮气气氛中，以4^oC·min^‑1的升温速度加热至850^oC，并保温一定时间，随后冷却至室温，所得固体粉末为SiO₂@C‑N/ZnO@C‑N；（6）将上述固体粉末SiO₂@C‑N/ZnO@C‑N先用10 wt%的盐酸溶液在室温下处理，除去氧化锌，用水洗至中性，40^oC下真空干燥后，再用20 wt%的氢氟酸溶液在室温下处理，除去二氧化硅，最后用水洗至中性，在40^oC下真空干燥，得到碳空心球复合材料。