一种碳空心球气凝胶、其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种碳空心球气凝胶、其制备方法与应用。所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由微孔、介孔和宏孔组成的纳米多孔结构。所述制备方法包括：将碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液混合均匀，形成二维材料‑碳空心球前驱体复合分散液，之后加入还原剂，混合均匀并静置，形成复合水凝胶；再对所述复合水凝胶进行老化、溶剂置换、干燥和碳化等处理，获得碳空心球气凝胶。本发明专利技术所获碳空心球气凝胶性能优异，并可实现连续化生产，在电化学储能和能源转换等领域具有巨大的应用前景。

Carbon hollow sphere aerogel, preparation method and application thereof

The invention discloses a carbon hollow sphere aerogel, a preparation method and application thereof. The carbon hollow sphere aerogel comprises a three-dimensional porous network structure mainly composed of carbon hollow spheres and two-dimensional materials, wherein at least part of the carbon hollow spheres are coated by two-dimensional materials, and the carbon hollow spheres aerogel has a nanoporous structure composed of micropores, mesopores and macro pores. The preparation method comprises the following steps: mixing the aqueous dispersion of the carbon hollow sphere precursor and the aqueous dispersion of the two-dimensional material evenly, forming a two-dimensional composite dispersion of the carbon hollow sphere precursor, adding a reducing agent, mixing evenly and statically, forming a composite hydrogel, aging the composite hydrogel, and solvent replacement. Carbon hollow spheres aerogels were prepared by drying and carbonizing. The carbon hollow sphere aerogel obtained by the invention has excellent performance and continuous production, and has great application prospects in the fields of electrochemical energy storage and energy conversion.

【技术实现步骤摘要】
一种碳空心球气凝胶、其制备方法与应用
本专利技术涉及一种碳空心球气凝胶，尤其涉及一种碳空心球气凝胶及其制备与应用，属于纳米多孔材料

技术介绍
气凝胶是由纳米级别的胶体粒子单元组建而成的多孔固体材料，具有高比表面积、高孔隙率、低密度、低热导率等独特性能，在诸多领域有着重要的应用，如作为储能材料、污水处理、保温隔热等。目前气凝胶的生产中都是先通过分子组装成纳米单元，然后纳米单元组装成凝胶，凝胶经过干燥最终得到气凝胶，如传统的二氧化硅气凝胶就是首先通过正硅酸乙酯(Si(OC2H5)4，简称TEOS)形成纳米二氧化硅颗粒，然后颗粒堆积形成连续的三维空间网络得到二氧化硅凝胶，最终通过干燥得到二氧化硅气凝胶(文献Journalofcolloidandinterfacescience,1998,197(2):353-359)。传统的气凝胶的纳米构建单元形貌等特性不可控，因此不利于气凝胶的功能化制备与应用。例如上述的二氧化硅气凝胶制备过程中二氧化硅颗粒的生长难以进行精确调控。此外，目前气凝胶的功能化主要是通过与其他材料进行复合，如石墨烯气凝胶的功能化主要将功能粒子等材料与石墨烯混合得到功能化气凝胶，但是功能粒子在气凝胶内分布不均以及功能粒子的脱落等问题严重限制了气凝胶在实际生产中的应用。虽然目前已经有直接利用功能化的纳米单元组装得到的气凝胶，如利用CdS,ZnS,PbS,CdSe等半导体材料的纳米粒子组装成气凝胶(文献Science,2005,307(5708):397-400)，但获得的气凝胶比表面积较小，且多为粉体，难以得到高比表面积的块体气凝胶材料。因此，目前迫切需求对气凝胶结构进行可控设计，以期制备出具有特殊结构和功能的气凝胶材料。鉴于所述需求，设计并提出一种结构新颖的气凝胶及相应制备方法，来达到简化工艺、缩短生产周期、降低成本的目的，实现气凝胶材料的快速功能化生产，成为业界亟待解决的技术难题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种碳空心球气凝胶及其制备方法，以克服现有技术中的不足。本专利技术的又一目的在于提供前述碳空心球气凝胶的应用。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种碳空心球气凝胶，所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的宏孔组成的纳米多孔结构。优选的，所述碳空心球气凝胶的孔径为0.1～1000nm，尤其优选为0.1～500nm，比表面积为100～3000m2/g，孔容为0.1～10cm3/g，孔隙率为30～99％，堆积密度小于70mg/cm3，电导率为100～5000S/m，比电容为50～500F/g。作为优选方案之一，所述碳空心球包括纯碳空心球、氮掺杂碳空心球、硼掺杂碳空心球和磷掺杂碳空心球中的任意一种或两种以上的组合。进一步的，所述碳空心球的直径为5～500nm。作为优选方案之一，所述二维材料包括氧化石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、碲化锑和碲化铋中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述二维材料的横向尺寸为20nm～100μm。本专利技术实施例还提供了一种碳空心球气凝胶的制备方法，其包括：提供碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液；将所述碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液混合均匀，形成二维材料-碳空心球前驱体复合分散液；向所述二维材料-碳空心球前驱体复合分散液中加入还原剂，混合均匀并静置，形成复合水凝胶；对所述复合水凝胶依次进行老化、溶剂置换、干燥和碳化处理，获得碳空心球气凝胶。本专利技术实施例还提供了前述的碳空心球气凝胶于制备能源存储器件、能源转换器件或催化材料中的用途。优选的，所述能源存储器件包括超级电容器、锂硫电池、锂离子电池、钠离子电池和燃料电池中的任意一种或两种以上的组合。优选的，所述能源转换器件包括热电化学池、太阳能电池和纳米摩擦发电机中的任意一种或两种以上的组合。本专利技术实施例还提供了前述碳空心球气凝胶于纳米粒子可控有序组装、环境处理或电磁屏蔽领域的用途。优选的，所述环境处理领域包括VOC气体吸附、海水淡化、染料吸附、污水处理和水体吸油中的任意一种或两种以上的组合。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：1)本专利技术提供的碳空心球气凝胶的制备方法工艺简单，将碳空心球作为气凝胶的构建单元同时利用二维材料作为交联剂形成具有三维多孔结构的气凝胶材料，通过先制备气凝胶的构建单元再组装成气凝胶两步生产工艺，可实现连续化自动化生产，大大缩短了制备周期和成本，具有巨大的应用前景；2)本专利技术提供的碳空心球气凝胶性能优异，构建单元可控，即通过不同的构建单元，更易于制备出功能化气凝胶材料，并可实现连续化生产，具有巨大的应用前景；3)相比于其他方法制备的碳空心球材料，本专利技术提供的碳空心球气凝胶在宏观上是块体材料，突破了传统的碳空心球材料为粉体材料的局限，因而大大拓宽了碳空心球的应用范围；4)本专利技术提供的碳空心球气凝胶在纳米粒子可控有序组装、能源存储与转化、电磁屏蔽等领域具有极其重要的应用。附图说明图1a是本专利技术实施例1所获碳空心球气凝胶的BET测试图；图1b是本专利技术实施例1所获碳空心球气凝胶的SEM照片；图2是本专利技术实施例2所获碳空心球气凝胶的SEM照片；图3a是本专利技术实施例3所获碳空心球气凝胶的BET测试图；图3b是本专利技术实施例3所获碳空心球气凝胶的SEM照片；图3c是本专利技术实施例3所获碳空心球气凝胶的TEM照片；图4a是本专利技术实施例4所获碳空心球气凝胶的SEM照片；图4b是本专利技术实施例4所获碳空心球气凝胶的TEM照片；图5是本专利技术实施例5所获碳空心球气凝胶的BET测试图；图6是本专利技术实施例6所获碳空心球气凝胶的SEM照片；图7是本专利技术实施例7所获碳空心球气凝胶制备的热电化学池的电化学测试图；图8是本专利技术实施例8所获碳空心球气凝胶制备的超级电容器的电化学测试图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供了一种碳空心球气凝胶，所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的宏孔连续组成的纳米多孔结构。优选的，所述碳空心球气凝胶的孔径为0.1～1000nm，尤其优选为0.1～500nm，比表面积为100～3000m2/g，孔容为0.1～10cm3/g，孔隙率为30～99％，堆积密度小于70mg/cm3，电导率为100～5000S/m，比电容为50～500F/g。作为优选方案之一，所述碳空心球包括纯碳空心球、氮掺杂碳空心球、硼掺杂碳空心球和磷掺杂碳空心球中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述碳空心球的直径为5～500nm。作为优选方案之一，所述二维材料包括氧化石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、碲化锑和碲化铋中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳空心球气凝胶，其特征在于：所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的宏孔组成的纳米多孔结构；优选的，所述碳空心球气凝胶的孔径为0.1～1000nm，尤其优选为0.1～500nm，比表面积为100～3000m2/g，孔容为0.1～10cm3/g，孔隙率为30～99％，堆积密度小于70mg/cm3，电导率为100～5000S/m，比电容为50～500F/g；优选的，所述碳空心球包括纯碳空心球、氮掺杂碳空心球、硼掺杂碳空心球和磷掺杂碳空心球中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳空心球的直径为5～500nm；优选的，所述二维材料包括氧化石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、碲化锑和碲化铋中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述二维材料的横向尺寸为20nm～100μm；优选的，所述二维材料包括二维片层材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳空心球气凝胶，其特征在于：所述碳空心球气凝胶包含主要由碳空心球和二维材料组成的三维多孔网络结构，其中至少部分的所述碳空心球被二维材料包覆，并且所述碳空心球气凝胶具有由孔径在2nm以下的微孔、孔径为2～50nm的介孔和孔径大于50nm的宏孔组成的纳米多孔结构；优选的，所述碳空心球气凝胶的孔径为0.1～1000nm，尤其优选为0.1～500nm，比表面积为100～3000m2/g，孔容为0.1～10cm3/g，孔隙率为30～99％，堆积密度小于70mg/cm3，电导率为100～5000S/m，比电容为50～500F/g；优选的，所述碳空心球包括纯碳空心球、氮掺杂碳空心球、硼掺杂碳空心球和磷掺杂碳空心球中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳空心球的直径为5～500nm；优选的，所述二维材料包括氧化石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、碲化锑和碲化铋中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述二维材料的横向尺寸为20nm～100μm；优选的，所述二维材料包括二维片层材料。2.如权利要求1所述的碳空心球气凝胶的制备方法，其特征在于包括：提供碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液；将所述碳空心球前驱体水性分散液和二维材料水性分散液混合均匀，形成二维材料-碳空心球前驱体复合分散液；向所述二维材料-碳空心球前驱体复合分散液中加入还原剂，混合均匀并静置，形成复合水凝胶；对所述复合水凝胶依次进行老化、溶剂置换、干燥和碳化处理，获得碳空心球气凝胶。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述二维材料水性分散液的浓度为0.1～100mg/ml；和/或，所述二维材料水性分散液中的二维材料包括氧化石墨烯、氮化硼、二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、碲化锑和碲化铋中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述二维材料的横向尺寸为20nm～100μm；优选的，所述二维材料包括二维片层材料；和/或，所述二维材料水性分散液中的水包括去离子水、蒸馏水和纯净水中的任意一种或两种以上的组合。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碳空心球前驱体水性分散液的浓度为1～500mg/ml；和/或，所述碳空心球前驱体水性分散液中包含的碳空心球前驱体包括酚醛树脂、导电高分子和天然高分子中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述碳空心球前驱体包括苯胺-吡咯共聚空心球；优选的，所述碳空心球前驱体的粒径尺寸为0.1～500μm；和/或，所述碳空心球水性分散液中的水包括去离子水、蒸馏水和纯...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学同，董大鹏，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32