一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，主要的技术方案是：将SiO2多孔微球作为模板，将对苯二胺与对苯二甲醛等发生聚合反应制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料，随后在氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料外表面包覆具有特殊形貌的极性氧化锌纳米鳞片得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/ZnO复合材料。本发明专利技术通过在SiO2模板表面由对苯二胺、对苯二酚以及对苯二甲醛发生聚合反应生成均匀的三聚氰胺酚甲醛树脂，而后对上述产物进行高温碳化、对SiO2进行刻蚀、洗涤，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料；进而在氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料外表面原位生长一层具有特殊形貌的ZnO纳米片层。

Preparation of a nitrogen-doped hollow carbon nanosphere composite with porous channels

The invention provides a preparation method of nitrogen-doped porous hollow carbon nanosphere composite material. The main technical scheme is: SiO_2 porous microspheres are used as templates, Phenylenediamine and terephthalaldehyde are polymerized to prepare nitrogen-doped hollow carbon nanosphere composite material, and then the outer surface of nitrogen-doped porous hollow carbon nanosphere composite material is coated with special shape. Nitrogen-doped porous hollow carbon nanospheres/ZnO composites were prepared from polar zinc oxide nanoscale. The present invention synthesizes uniform melamine phenol formaldehyde resin by polymerization reaction of p-phenylenediamine, hydroquinone and terephthalaldehyde on the surface of SiO 2 template, then carbonizes the above products at high temperature, etches and washes SiO 2 to obtain nitrogen-doped hollow carbon nanosphere composite material, and then the nitrogen-doped hollow carbon nanosphere composite material is formed on the outer surface of nitrogen-doped hollow carbon nanosphere composite material. In-situ growth of a layer of ZnO nanosheets with special morphology.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法
本专利技术涉及复合材料
，具体而言，涉及一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法。
技术介绍
进入21世纪以来，化学能源正逐渐枯竭，人们的节能环保意识逐渐提高，锂离子电池作为轻便环保、高能量密度的可充电二次电池已在社会各行各业中得到广泛应用。但与此同时，便携式电子设备、能源、通信、交通、军事、航天等领域的迅速发展对锂离子电池的能量密度提出了越来越高的应用要求。而现有的商业化锂离子电池限于其正极材料本身的理论比容量，能量密度有限，暂时无法满足这些要求。近年来，锂硫电池以其高达1675mAh/g的理论比容量、2600Wh/kg的理论比能量(与金属锂组成电池)成为研究热点，其理论比容量比目前商用锂电池高出约一个数量级。同时，硫具有储量丰富、无毒环保等特点，具有极高的应用潜力。锂硫电池的研究从20世纪70年代开始，在几十年中取得了许多理论和实际应用上的进展。然而，就目前技术水平而言，锂硫电池仍存在许多较难解决的技术难题和不足之处，这些问题表现在锂硫电池的库伦效率较低、循环性能差、自放电率高等方面。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术提出了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，旨在解决现有锂硫电池循环稳定性差的问题。具体地，本专利技术提出了一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将对苯二胺与对苯二甲醛、N，N-二甲基乙酰胺混合后在第一预设温度下持续搅拌一段时间后，加入对苯二酚，直至得到清澈透明的前驱体溶液；同时，将SiO2模板分散至去离子水中，并加入分散剂分散均匀，将所述前驱体溶液逐滴加入至分散好的SiO2悬浮液中，调节PH至4.5-5.0，然后在第二预设温度下持续搅拌一段时间后对产物进行离心、洗涤、并干燥一段时间后，将产物以预设升温速率升温至一定温度，碳化一段时间后，刻蚀、离心并洗涤至中性，在第三预设温度下干燥一段时间，制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料。具体而言，由于对苯二胺含氮量较高，选用其与对苯二甲醛及对苯二酚进行聚合，可以提高氮原子的掺杂率，而氮原子的掺杂可以提供更多的自由电子，有利于提高碳材料的导电性。该步骤中的前驱体溶液即为对苯二酚、对苯二甲醛与对苯二胺作用生成的聚合物酚树脂。该步骤中，SiO2模板、对苯二胺、对苯二甲醛与对苯二酚的质量比为(61～189)：(108～216):(20～60):(73～220)；优选的，对苯二胺与对苯二甲醛的质量比为61：162:30:110，例如SiO2模板的用量可以为0.61g、1.89g等；对苯二胺的用量可以为1.62g、3.78g、7.56g等；对苯二甲醛的用量可以为0.3g、0.6g等；N,N-二甲基乙酰胺的用量可以为10ml、20ml等；对苯二酚的用量可以为1.1g、2.2g等。SiO2模板的制备过程可以如下:将乙醇与去离子水混合，加入正硅酸乙酯，搅拌至溶液均一稳定后，缓慢加入氨水，继续搅拌一段时间，将产物离心、干燥，制得SiO2模板。这样的加入顺序,可以防止反应物正硅酸乙酯与氨水反应不够充分而发生络合反应产生沉淀。具体而言，正硅酸乙酯、乙醇、去离子水和氨水的体积比可以为(6～6.15)：(70～80)：(10～12)：(3.10～3.20)，优选为6：75：10：3.15。该步骤中，分离产物时，可以选用高速离心机进行分离，将分离得到的产物分别用去离子水和乙醇进行洗涤，对产物进行干燥的温度可以优选为(55～60)℃，例如60℃；干燥的时间可以为(10-12)h，例如12h。制得的SiO2多孔微球模板的粒径为(200-400)nm，例如300nm。该步骤中，室温可以根据具体的外界环境来确定，一般可以为20～25℃，此处不做任何限定。该步骤中，SiO2模板的微观结构呈多孔为微球状,分散SiO2模板时，将SiO2多孔微球分散至N,N-二甲基乙酰胺中，并加入适量分散剂，分散剂可以为十二烷基苯磺酸钠、甲基戊醇、聚乙烯酰胺或三乙基己基磷酸。调节PH所用的调节剂可以为不具氧化性和还原性的弱酸，例如冰醋酸。所述第一预设温度为(75～90)℃，优选的，所述第一预设温度为(75～85)℃；在第一预设温度下的搅拌时间可以为(10～30)min，例如为20min；所述第二预设温度为(50～60)℃，优选为(50～55)℃，在该温度下可以搅拌(30-60)min；预设升温速率为(1-8)℃/min，优选为(1-5)℃/min，进一步优选为3℃/min；碳化温度为(700～780)℃，优选为(700～750)℃；碳化时间为(2-8)h，优选为(4-6)h；刻蚀时间为(3-12)h，优选为(6-9)h，进一步优选为6h；所述第三预设温度为(50～65)℃，优选为(55～60)℃。。刻蚀过程所用的刻蚀剂可以是HF水溶液或氢氧化钠的醇水溶液。优选的，所述HF水溶液的浓度为(10-20)wt％，例如质量浓度为10wt％的HF水溶液；氢氧化钠的醇水溶液中，氢氧化钠的浓度为(0.5-1)mol/L，溶剂中乙醇和水的体积比为1:1。本专利技术实施例中，通过在SiO2多孔微球表面由对苯二胺、对苯二酚以及对苯二甲醛发生聚合反应生成均匀的酚醛树脂，而后进行高温碳化、通过HF的水溶液或氢氧化钠的醇水溶液对SiO2层进一步刻蚀得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料，以NPHCN代表氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料。(2)将所述氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐混合研磨后的粉末分散，得到均匀的悬浮液，向上述悬浮液中加入浓硫酸，室温下搅拌，随后将混合液在第四预设温度下持续搅拌一段时间后停止反应，冷却至室温，将产物分离，洗涤至中性，最后于第五预设温度下干燥，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/ZnO复合材料。具体而言，氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐的质量比为(0.1～0.12)：(2.45～2.6)；优选为0.1：(2.45～2.55)；更优选为0.1：2.5。锌盐可以为醋酸锌、硝酸锌和氯化锌中的至少一种。即锌盐可以为上述化合物中的任意一种或任意两种及以上的混合物。浓硫酸在氧化锌包覆层的制备过程中起到氧化剂和催化剂的作用。所述第四预设温度为(70～85)℃，优选为(75～80)℃；所述第五预设温度为(50～65)℃，优选为(55～60)℃。该步骤中，研磨后的粉末可以通过分散到去离子水中形成均匀的悬浮液，悬浮液与浓硫酸的反应温度为(70～85)℃，优选为(75～80)℃，更优选为80℃；其中加热时可以采用油浴加热，反应过程中保持搅拌，搅拌时间可以为(10～12)h；产物干燥的方式可以为真空干燥，真空干燥的温度可以为(50～65)℃，优选为(55～60)℃，干燥时间可以为(10～12)h。产物洗涤时可以选用去离子水对产物进行多次洗涤。具体实施时，将氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐在玛瑙研钵中混合研磨，将研磨后的粉末通过超声搅拌分散到一定体积(例如100ml)的去离子水中，取适量(例如0.5ml)浓硫酸加入到分散均匀的上述悬浮中，室温下磁力搅拌一段时间(例如30min)。随后可以将混合液在一定的油浴温度(例如80℃)下持续搅拌后冷却至室温，将产物分离出来后，用去离子水洗涤至中性。本专利技术实施例中，通过锌盐与浓硫酸的化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将对苯二胺与对苯二甲醛、N，N‑二甲基乙酰胺混合后在第一预设温度下持续搅拌一段时间后，加入对苯二酚，直至得到清澈透明的前驱体溶液；同时，将SiO2模板分散至去离子水中，并加入分散剂分散均匀，将所述前驱体溶液逐滴加入至分散好的SiO2悬浮液中，调节PH至4.5‑5.0，然后在第二预设温度下持续搅拌一段时间后对产物进行离心、洗涤、并干燥一段时间后，将产物以预设升温速率升温至一定温度，碳化一段时间后，刻蚀、离心并洗涤至中性，在第三预设温度下干燥一段时间，制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料；(2)将所述氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐混合研磨后的粉末分散，得到均匀的悬浮液，向上述悬浮液中加入浓硫酸，室温下搅拌，随后将混合液在第四预设温度下持续搅拌一段时间后停止反应，冷却至室温，将产物分离，洗涤至中性，最后于第五预设温度下干燥，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/ZnO复合材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将对苯二胺与对苯二甲醛、N，N-二甲基乙酰胺混合后在第一预设温度下持续搅拌一段时间后，加入对苯二酚，直至得到清澈透明的前驱体溶液；同时，将SiO2模板分散至去离子水中，并加入分散剂分散均匀，将所述前驱体溶液逐滴加入至分散好的SiO2悬浮液中，调节PH至4.5-5.0，然后在第二预设温度下持续搅拌一段时间后对产物进行离心、洗涤、并干燥一段时间后，将产物以预设升温速率升温至一定温度，碳化一段时间后，刻蚀、离心并洗涤至中性，在第三预设温度下干燥一段时间，制得氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料；(2)将所述氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐混合研磨后的粉末分散，得到均匀的悬浮液，向上述悬浮液中加入浓硫酸，室温下搅拌，随后将混合液在第四预设温度下持续搅拌一段时间后停止反应，冷却至室温，将产物分离，洗涤至中性，最后于第五预设温度下干燥，得到氮掺杂多孔道中空碳纳米球/ZnO复合材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，SiO2模板、对苯二胺、对苯二甲醛与对苯二酚的质量比为(61～189)：(108～216):(20～60):(73～220)。3.根据权利要求1所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料和锌盐的质量比为(0.1～0.12)：(2.45～2.6)。4.根据权利要求3所述的氮掺杂多孔道中空碳纳米球复合材料的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王克坚，张奎博，
申请(专利权)人：北京长城华冠汽车科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11