一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，包括：以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/细菌复合模板；以及在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。本发明专利技术还提供了由所述方法制备的双模板多级多孔碳基材料及其应用。本发明专利技术的多级多孔碳基材料的模板来源于生活中广泛存在的细菌，易大量制备，易于在工业化生产中实施；并且所选材料对环境无毒无害，几乎无污染；该制备方法解决了现有工艺中难以控制材料表面形貌生长的问题。

A double template multi-stage porous carbon based material and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法与应用
本专利技术涉及纳米材料及电化学
，尤其涉及一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法和应用。
技术介绍
硫是一种广泛存在于自然界中的一种非金属元素，且单质硫及硫化合物广泛存在于各种矿物和大气中。单质硫具有相对分子质量小、与锂反应转移电子数较多等特点，以硫单质为正极材料的硫锂电池的理论比容量高达1675mAh/g，理论能量密度高达2600Wh/kg，明显高于目前商业化的锂离子电池。此外，硫价格低廉、环保易得，在化学电源储能、改善现有电池对环境的污染等方面有广阔的应用前景。但是在室温下单质硫是典型的电子离子绝缘体(5*10-30S/cm)，因此单质硫作为正极活性物质时活化难度高、活性物质利用率低。此外放电时产生的中间产物多硫化锂会大量溶解于电解液中，造成正极活性物质的流失并导致循环寿命降低，并且单质硫充放电过程中物质形态转化时体积膨胀效应高达80％，导致电极粉碎、破坏；此外，锂硫电池最终放电产物Li2S2/Li2S会沉积在极片上形成绝缘的多硫化锂薄膜，减缓电池材料氧化还原反应动力学。上述问题导致锂硫电池的活性物质利用率低，容量衰减迅速。因而研究如何提高硫利用率显得至关重要。多级多孔碳基材料具有物理化学性质稳定、比表面积高、孔容量高、导电性高等优点，作为单质硫的储存基体材料，其丰富的孔道结构不仅可以储存大量的单质硫，提高电极导电率，还可以抑制充放电过程中的多硫化锂的扩散，因此硫碳复合正极材料在锂硫电池中获得广泛研究和应用。碳元素以化合物形式广泛分布于生物体内，生物体内膜结构、骨架结构众多，如细胞内蛋白质骨架、细胞内细胞器膜等，且生物体内有机物一般含磷、氮元素，磷氮元素的经碳化处理后可以直接得到均匀多孔的磷氮掺杂碳材料。而细菌具有形状各异、组成元素多样化等特点，可以作为生物质模板构建具有优异结构的碳基材料。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种双模板多级多孔碳基材料及其制备方法，该多级多孔碳基材料的模板来源于生活中广泛存在的细菌，易大量制备，易于在工业化生产中实施；并且所选材料对环境无毒无害，几乎无污染。该制备方法解决了现有工艺中难以控制材料表面形貌生长的问题。为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，包括：以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/细菌复合模板；以及在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。本专利技术中，所述碳源优选为氮掺杂的碳源，如聚苯胺、聚吡咯、多巴胺等。氮掺杂可以提高碳基材料对多硫化物的吸附作用，同时改善碳基材料的极性及导电率。本专利技术中，以细菌和形成于细菌表面的介孔二氧化硅层为双模板，在介孔二氧化硅的孔道中合成碳源，经碳化、去除介孔二氧化硅模板后，得到了具有多级结构的多孔碳基材料，该碳基材料的形貌易于控制，且表面具有纳米孔结构，比表面积大，是良好的储硫材料，在锂硫电池中具有广泛的应用前景。进一步地，所述细菌选自球菌、杆菌和螺旋菌(包括弧菌、螺菌、螺杆菌)中的至少一种。优选地，所述细菌为大肠杆菌。进一步地，所述介孔二氧化硅层/细菌复合模板是由细菌菌液、正硅酸四乙酯、模板剂混合后反应得到的。其中模板剂优选为十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。进一步地，所述菌液的OD600nm值为80～120，例如可以是80,100,120等等。进一步地，所述氮掺杂的碳源为聚苯胺，其合成方法为：将介孔二氧化硅层/细菌复合模板与苯胺混合，在氧化剂存在的条件下发生反应，从而在介孔二氧化硅层的孔道中合成聚苯胺。所述氧化剂优选为过硫酸铵-硫酸溶液。进一步地，所述细菌、正硅酸四乙酯、苯胺的重量比为0.5:2.5:0.5～2。其中细菌重量为干重。进一步地，所述碳化的条件为：在600～900℃下进行碳化，碳化时间为3～6小时，升温速率为2～10℃/min，优选为5℃/min。进一步地，所述保护气氛选自氮气、氦气、氩气中的至少一种。优选为氮气或氩气。本专利技术中，去除介孔二氧化硅模板的方法为：将碳化后的材料置于热氢氧化钠溶液或氢氟酸中浸泡。本专利技术另一方面提供了一种由所述的方法制得的双模板多级多孔碳基材料。本专利技术还提供了所述的双模板多级多孔碳基材料在制备锂硫电池电极材料中的应用。本专利技术的有益效果：1.本专利技术以生活中广泛存在的细菌作为模板，易大量制备，易于在工业化生产中实施，所选材料对环境无毒无害，几乎无污染；并且该方法解决了现有工艺中无法控制材料表面形貌生长的问题。2.本专利技术制备的多级多孔碳基材料，可储存碳材料质量2倍以上的单质硫，作为储硫基体材料应用时，表现出良好的能量储存、循环性能和库伦效率。附图说明图1是实施例1制备的多级多孔碳基材料的SEM图；图2是实施例1制备的多级多孔碳基材料的TEM图；图3是实施例1制备的多级多孔碳基材料的BET图；图4是实施例1制备的多级多孔碳基材料的孔径分布图；图5是实施例1制备的多级多孔碳基材料储硫复合电极在锂硫电池中的充放电曲线图；图6是实施例1制备的多级多孔碳基材料储硫复合电极在锂硫电池中的倍率性能图；图7是实施例2制备的多级多孔碳基材料储硫复合电极在锂硫电池中的充放电图像；图8是实施例2制备的多级多孔碳基材料储硫复合电极在锂硫电池中的倍率性能图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本专利技术并能予以实施，但所举实施例不作为对本专利技术的限定。以下实施例中，所述的室温为25℃。所述的大肠杆菌菌液(在600nm光度仪中吸光度为100OD)，是由自苏州大学医学部生命科学学院培养，通过离心收集，戊二醛灭活后得到固化的大肠杆菌菌液。实施例11.制备双模板多级多孔碳基材料取30mL100OD固化大肠杆菌菌液加入80mL去离子水中，搅拌形成均一细菌悬液，然后加入0.5g十六烷基三甲基溴化铵和0.8mL饱和氨水，在30℃条件下以170rpm转速搅拌10min。接着加入正己烷，继续搅拌10min，再加入2.5mL正硅酸四乙酯，搅拌12小时。离心收集后用乙醇清洗介孔孔道3小时，再离心收集，取0.5g清洗后样品平铺于25mL烧杯底部，滴加1mL乙醇并搅拌均匀，再加入1mL苯胺，超声5min，滴加过硫酸铵的硫酸溶液9mL，同时不停搅拌使反应均匀发生，然后在氩气保护下以5℃/min的升温速率升至700℃进行碳化，碳化时间3小时，碳化后冷却至室温，浸泡于20％浓度的氢氟酸溶液中12h，离心干燥后研磨得到胶囊状的多级多孔碳基材料。图1-2分别为实施例1制备的多级多孔碳基材料的SEM图和TEM图。从图中可以看出，制备的多级多孔碳基材料呈大小均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，其特征在于，包括：/n以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/细菌复合模板；以及/n在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；/n其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。/n

【技术特征摘要】
1.一种双模板多级多孔碳基材料的制备方法，其特征在于，包括：
以细菌为模板，在所述细菌表面生成介孔二氧化硅层，得介孔二氧化硅层/细菌复合模板；以及
在所述介孔二氧化硅层的孔道中合成碳源，然后在保护气氛下进行碳化，再去除介孔二氧化硅层，即得到所述双模板多级多孔碳基材料；
其中，所述碳源选自聚苯胺、聚吡咯、多巴胺、酚醛树脂、蔗糖中的一种。


2.如权利要求1所述的双模板多级多孔碳基材料的制备方法，其特征在于，所述细菌选自球菌、杆菌和螺旋菌中的至少一种。


3.如权利要求1所述的双模板多级多孔碳基材料的制备方法，其特征在于，所述介孔二氧化硅层/细菌复合模板是由细菌菌液、正硅酸四乙酯、模板剂混合后反应得到的。


4.如权利要求3所述的双模板多级多孔碳基材料的制备方法，其特征在于，所述菌液的OD600nm值为80～120。


5.如权利要求3所述的双模板多级多孔碳基材料的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓辉，李自惟，王崇龙，邓昭，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32