一种荧光桃红为前驱体的空心碳球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于新能源材料技术领域，公开一种荧光桃红为前驱体的空心碳球及其制备方法和应用。所述空心碳球是以正硅酸乙酯、氨水、乙醇和去离子水混合搅拌，离心得二氧化硅球，加去离子水超声分散，得到二氧化硅球分散液，加入荧光桃红对二氧化硅球染色，并加金属阳离子固色，离心干燥后，得到染色的二氧化硅；在保护气氛下，将该染色的二氧化硅在600～1300℃煅烧制得二氧化硅球@碳，然后将二氧化硅球@碳浸泡在氢氟酸中，经洗涤和干燥处理后制得。本发明专利技术的合成方法简单，易于控制碳球的大小，可重复性高。本发明专利技术的空心碳球的纯度高，粒径均一，粒径和厚度的调控性好。将该空心碳球应用在钠离子电池时有较好的循环稳定性和倍率性能。

【技术实现步骤摘要】
一种荧光桃红为前驱体的空心碳球及其制备方法和应用
本专利技术属于新能源
，更具体地，涉及一种荧光桃红为前驱体的空心碳球及其制备方法和应用。
技术介绍
目前，锂离子电池以其能量密度高的优势广泛应用于电动汽车、储能和消费类电子等领域，导致锂的需求大大提升，而锂在地壳中储量较少、开采困难、分布不均导致锂的价格居高不下，满足不了大规模可再生储能和智能电网对原材料价格低廉的要求。所以，亟需发展新一代综合效能优异的储能电池新体系。与锂元素相比，钠资源丰富，在地壳中的储量约为2.64％(约为锂的406倍)，且提炼简单，价格低廉。钠元素与锂元素属于同一主族，具有相似的物理化学性质，且钠离子电池与锂离子电池具有相似的工作原理。综上可知，钠离子电池是一种非常具有应用前景的新一代储能系统。钠离子电池负极材料的研究方向主要为：碳基储钠负极材料、合金类储钠负极材料及其他储钠负极材料。碳基储钠材料目前仍存在一些问题，商业化的锂离子电池负极材料石墨的层间距是0.34nm，钠离子半径过大无法进入石墨层间形成稳定的层间化合物，寻找更大层间距的碳基材料是提升钠离子电池负极容量的关键。相比于传统石墨，无定形碳材料有着良好的储钠性能，其可以分为软碳和硬碳，硬碳具有较大的层间距和丰富的微孔结构，可以提供更多的储钠位点，但硬碳首次库伦效率较低，循环稳定性和倍率性能较差。
技术实现思路
为了解决上述现有技术存在的不足和缺点，提供一种以荧光桃红为前驱体的空心碳球。本专利技术的另一目的在于提供上述空心碳球的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供上述空心碳球的应用。本专利技术的目的通过下述技术方案来实现：一种荧光桃红为前驱体的空心碳球，所述空心碳球是将正硅酸乙酯、氨水、乙醇和去离子水混合搅拌，离心得二氧化硅球，加去离子水超声分散，得到二氧化硅球分散液，加入荧光桃红对二氧化硅球染色，并加金属阳离子固色，离心干燥后，得到染色的二氧化硅；在保护气氛下，将该染色的二氧化硅在600～1300℃煅烧制得二氧化硅球@碳，然后将二氧化硅球@碳浸泡在氢氟酸中，经洗涤和干燥处理后制得。优选地，所述正硅酸乙酯和乙醇的体积比为(1～6)：(20～50)，所述去离子水、乙醇、氨水的体积比为(1～60)：(2～50)：(3～40)。优选地，所述金属阳离子为Cu2+、Fe3+或Zn2+。优选地，所述荧光桃红的质量和二氧化硅球分散液的体积比为(0.45～2.25)g：(15～45)mL。优选地，所述二氧化硅球的粒径为100～300nm；所述二氧化硅球@碳中碳包覆层的厚度为2～5nm；所述空心碳球的直径为100～300nm，壁厚为2～5nm。优选地，所述煅烧的时间为1～2h，所述保护气氛为氮气或氩气。优选地，所述氢氟酸的质量浓度为5～40wt％。所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球的制备方法，包括如下具体步骤：S1.将正硅酸乙酯、乙醇、去离子和氨水混合搅拌，离心后得二氧化硅球，在二氧化硅球中加去离子水超声分散，得二氧化硅球分散液；S2.将荧光桃红溶解于二氧化硅球分散液中超声分散，对二氧化硅球染色，并加金属阳离子固色，离心干燥，得到染色的二氧化硅；S3.将染色的二氧化硅放入管式炉，在保护气氛下，升温至600～1300℃煅烧，得二氧化硅球@碳；S4.将二氧化硅球@碳浸泡于氢氟酸中，去离子水洗涤干燥后，得到空心碳球。优选地，步骤S1和S2中所述超声的时间均为10～30min；步骤S3中所述升温的速率为1～10℃/min；步骤S4中所述浸泡的时间为30～60min。所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球在钠离子电池的负极材料中的应用。本专利技术中二氧化硅分散液是电负性，在二氧化硅球表面形成阴离子，荧光桃红在水中形成游离的阴离子，与金属阳离子形成一种阴-阳-阴离子层，形成静电结合，从而提高染料的染色牢度，使荧光桃红包覆二氧化硅球的完整性增加，形成均匀的薄碳层，形貌结构更完整，电池的循环倍率性能更优异。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术的空心碳球的纯度高，粒径均一，粒径和厚度的调控性好。荧光桃红在染色时包覆于二氧化硅球表面，形成了厚度为2～5nm的碳包覆层，用氢氟酸将二氧化硅模板洗去，得到空心碳球的壁厚为2～5nm。将该空心碳球应用在钠离子电池时有较好的循环稳定性和倍率性能。2.本专利技术选用荧光桃红作为碳源，荧光桃红是一种易溶于水的染料，在二氧化硅球分散液中能很好地对二氧化硅球进行染色，使其均匀的包覆在二氧化硅球表面，碳化时能形成均匀且薄的碳层。3.本专利技术的合成方法简单，易于控制碳球的大小，可重复性高。附图说明图1为实施例1中的(a)二氧化硅模板的扫描电镜图；(b)煅烧后包覆了碳的二氧化硅模板扫描电镜图(SEM)。图2为实施例1中的空心碳球的扫描电镜图(SEM)。图3为实施例1中的空心碳球作为钠离子电池负极材料在0.1A/g下的恒流充放电图。图4为实施例1中的空心碳球作为钠离子电池负极材料的倍率性能图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的内容，但不应理解为对本专利技术的限制。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。除非特别说明，本专利技术采用的试剂、方法和设备为本
常规试剂、方法和设备。实施例11.以正硅酸乙酯：乙醇＝10ml：40ml，去离子水：乙醇：氨水(25％)＝50ml：50ml：34ml的比例混合，在常温下搅拌3h，离心后得二氧化硅球；将二氧化硅球(粒径为100～300nm)中加去离子水超声分散，得二氧化硅球分散液；2.将0.12g荧光桃红溶解在3mL二氧化硅球分散液中，超声20min后在混合液中加入1mL的1moL/L的硫酸铜溶液超声5min，离心干燥，得到染色二氧化硅；3.将染色二氧化硅放入管式炉，在氮气气氛下，以5℃/min升温至600℃后保温2h，得到二氧化硅球@碳；4.将二氧化硅球@碳浸泡于20wt％氢氟酸中30min，最后用去离子水洗涤干燥后，得到空心碳球，所得空心碳球的直径为250nm，壁厚为2nm。图1为本实施例中的(a)二氧化硅模板的扫描电镜照片；(b)二氧化硅球@碳的扫描电镜照片(SEM)。从图1中(b)中可以看出，经过高温煅烧后大小和均匀程度较二氧化硅模板未有很大变化，说明其包覆状态很均匀。图2为本实施例中的空心碳球的扫描电镜图(SEM)，从图2中可以看出，空心碳球具有空心结构，空心碳球的直径和模板直径一致，在250nm左右，且分布均匀。图3为实施例1中的空心碳球作为钠离子电池负极材料在0.1A/g下的恒流充放电图；图4为实施例1中的空心碳球作为钠离子电池负极材料的倍率性能图。从图3和图4中可知，空心碳球为负极的钠离子电池的倍率和循环性能好，适用于作为钠离子电池的负极材料。实施例21.将0.3g荧光桃红溶解在5mL实施例1中二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述空心碳球是以正硅酸乙酯、氨水、乙醇和去离子水混合搅拌，离心得二氧化硅球，加去离子水超声分散，得到二氧化硅球分散液，加入荧光桃红对二氧化硅球染色，并加金属阳离子固色，离心干燥后，得到染色的二氧化硅；在保护气氛下，将该染色的二氧化硅在600～1300℃煅烧制得二氧化硅球@碳，然后将二氧化硅球@碳浸泡在氢氟酸中，经洗涤和干燥处理后制得。/n

【技术特征摘要】
1.一种荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述空心碳球是以正硅酸乙酯、氨水、乙醇和去离子水混合搅拌，离心得二氧化硅球，加去离子水超声分散，得到二氧化硅球分散液，加入荧光桃红对二氧化硅球染色，并加金属阳离子固色，离心干燥后，得到染色的二氧化硅；在保护气氛下，将该染色的二氧化硅在600～1300℃煅烧制得二氧化硅球@碳，然后将二氧化硅球@碳浸泡在氢氟酸中，经洗涤和干燥处理后制得。


2.根据权利要求1所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述正硅酸乙酯和乙醇的体积比为(1～6)：(20～50)，所述去离子水、乙醇、氨水的体积比为(1～60)：(2～50)：(3～40)。


3.根据权利要求1所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述金属阳离子为Cu2+、Fe3+或Zn2+。


4.根据权利要求1所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述荧光桃红的质量和二氧化硅球分散液的体积比为(0.45～2.25)g：(15～45)mL。


5.根据权利要求1所述的荧光桃红为前驱体的空心碳球，其特征在于，所述二氧化硅球的粒径为100～300nm；所述二氧化硅球@碳中碳包覆层的厚度为2～5nm；所述空心碳球的直径为100～300nm，壁厚为2～5nm。

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【专利技术属性】
技术研发人员：杨丹，杨晓青，李争晖，张国庆，
申请(专利权)人：广东工业大学，
类型：发明
国别省市：广东;44