一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用，其制备方法包括：将含铁化合物、含钴化合物、含镍化合物或同时含有铁、钴、镍中任两种或三种的化合物溶解形成溶液，加入含有交换基团的高分子聚合物，充分搅拌，使得化合物中的铁/钴/镍与高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换，过滤、清洗、干燥后，放入反应装置中进行高温碳化处理并进行粉碎与分级，得到聚合物材料；在此过程中，先形成渗碳体结构，随着铁和/或钴和/或镍离子向材料内部扩散，在材料外层形成洋葱碳层；将聚合物材料在2000℃～2500℃，保温1小时～10小时，使得材料内部的铁/钴/镍通过材料的孔隙逸出，形成空心洋葱碳球聚合体；最后超声、洗涤、过滤、烘干，得到空心洋葱碳球。洋葱碳球。洋葱碳球。

【技术实现步骤摘要】
一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及碳材料
，尤其涉及一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]纳米洋葱碳(Carbon nano onions,CNOs)是一种具有弯曲闭合石墨层的特殊结构碳材料，因其切面成洋葱层状而被称为洋葱碳，其电导率高、机械性能优异、热稳定性好且具有良好的生物相容性，能够广泛应用于润滑、储能、催化、生物制药等领域。
[0003]但目前而言，纳米洋葱碳存在产量低价格高的问题，尤其在现有制备过程中存在的颗粒团聚无法分散，形态难以控制等问题，极大地限制了其大规模推广与应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供了一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用。采用本专利技术的制备方法，解决了现有制备过程中存在的颗粒团聚无法分散，形态难以控制等问题，该制备方法设备要求简单、原料成本低廉、重复性好、易于操作，产品粒度可控且颗粒分散，能够实现工业吨级生产。
[0005]第一方面，本专利技术实施例提供了一种空心洋葱碳球的制备方法，所述制备方法包括：
[0006]将含铁化合物、含钴化合物、含镍化合物或同时含有铁、钴、镍中任两种或三种的化合物中的任一或几种加入溶剂溶解形成摩尔浓度为5％
‑
20％的溶液，加入含有交换基团的高分子聚合物，以100r/min～700r/min转速充分搅拌，使得化合物中的铁、钴、镍中的任一或几种离子与所述高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换，然后进行过滤与清洗，干燥后得到具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物；
[0007]将所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物放入反应装置中，升温至700℃～1300℃并保温5小时～15小时，用以对所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物进行高温碳化处理并进行粉碎与分级，得到聚合物材料；其中，所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物在所述保温过程中先形成渗碳体结构，随着铁和/或钴和/或镍离子向材料内部扩散，在材料外层形成洋葱碳层；
[0008]将所述聚合物材料在保护气氛环境下以1℃/min～10℃/min升温至2000℃～2500℃，保温1小时～10小时，使得材料内部的所述铁和/或钴和/或镍元素通过材料的孔隙逸出，形成空心洋葱碳球聚合体；
[0009]将所述空心洋葱碳球聚合体浸泡在去离子水或乙醇中，超声5小时～10小时后，对所的样品进行洗涤、过滤、烘干，得到所述空心洋葱碳球。
[0010]优选的，所述交换基团包括：磺酸基(－SO3H)和/或羧基(－COOH)。
[0011]优选的，所述方法还包括：根据所述溶液中铁、钴、镍与高分子聚合物中交换基团的摩尔比为1:1～1.05:1来计算所述含有交换基团的高分子聚合物的添加量。
[0012]优选的，所述以100r/min～700r/min转速充分搅拌，使得化合物中的铁、钴、镍中
的任一或几种离子与所述高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换具体为：
[0013]以100r/min～700r/min转速搅拌6～48小时，使得化合物中的铁、钴、镍中的任一或几种离子与所述高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换。
[0014]优选的，所述溶剂为水。
[0015]优选的，所述保护气氛为氮气或惰性气体。
[0016]第二方面，本专利技术实施例提供了一种第一方面所述的制备方法制备得到的空心洋葱碳球，空心洋葱碳球的尺寸范围为10nm～500nm，洋葱碳层的厚度为2nm～50nm，所述空心洋葱碳球的内部空心体积占所述空心洋葱碳球的总体积比例为X，0＜X≤98.8％；
[0017]所述空心洋葱碳球的拉曼光谱Id/Ig范围在0.2～0.4，I2d/Ig范围在0.5～1.1。
[0018]第三方面，本专利技术实施例提供了一种负极，所述负极包括上述第二方面所述的空心洋葱碳球。
[0019]第四方面，本专利技术实施例提供了一种锂电池，所述锂电池包括上述第三方面所述的负极。
[0020]本专利技术通过在空心洋葱碳球的制备过程中加入含有交换基团的高分子聚合物，使得化合物中的铁/钴/镍与高分子聚合物的交换基团发生离子交换，再在高温过程中先逐步形成渗碳体结构，并随着铁和/或钴和/或镍离子向材料内部扩散，在材料外层形成洋葱碳层，最后再通过2000℃～2500℃的高温使得铁/钴/镍通过材料的孔隙逸出，形成空心洋葱碳球聚合体。本专利技术的制备方法设备要求简单、原料成本低廉、重复性好、易于操作，产品粒度可控且颗粒分散，能够实现工业吨级生产。
附图说明
[0021]下面通过附图和实施例，对本专利技术实施例的技术方案做进一步详细描述。
[0022]图1为本专利技术实施例的空心洋葱碳球的制备方法的流程图；
[0023]图2为本专利技术实施例的空心洋葱碳球的制备过程示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例1提供的空心洋葱碳球的透射电子显微镜(TEM)图之一；
[0025]图4为本专利技术实施例1提供的空心洋葱碳球的TEM图之二；
[0026]图5为本专利技术实施例1提供的空心洋葱碳球的拉曼图；
[0027]图6为本专利技术实施例1、实施例2、实施例3的锂离子半电池电化学曲线图。
具体实施方式
[0028]下面通过附图和具体的实施例，对本专利技术进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本专利技术，即并不意于限制本专利技术的保护范围。
[0029]本专利技术的提出了一种空心洋葱碳球及其制备方法和应用。图1为本专利技术实施例的空心洋葱碳球的制备方法的流程图；图2为本专利技术实施例的空心洋葱碳球的制备过程示意图。结合图1、图2进行说明。
[0030]本专利技术提出的制备方法的主要步骤如图1所示，包括：
[0031]步骤110，将含铁化合物、含钴化合物、含镍化合物或同时含有铁、钴、镍中任两种或三种的化合物中的任一或几种加入溶剂溶解形成摩尔浓度为5％
‑
20％的溶液，加入含有
交换基团的高分子聚合物，以100r/min～700r/min转速充分搅拌，使得化合物中的铁、钴、镍中的任一或几种离子与高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换，然后进行过滤与清洗，干燥后得到具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物；
[0032]其中，用以溶解上述化合物的溶液优选为水。
[0033]交换基团包括：磺酸基(－SO3H)、羧基(－COOH)等基团。高分子聚合物指由共价键重复连接而成的高分子量(通常可达104～106)化合物，主要可以包括：聚苯乙烯、环氧树脂、脲醛树脂、丙烯酸树脂、聚氧乙烯中的一种或几种。
[0034]在加入含有交换基团的高分子聚合物时，可以根据溶液中铁、钴、镍与高分子聚合物中交换基团的摩尔比为1:1～1.05:1来计算含有交换基团的高分子聚合物的添加量。
[0035]充分搅拌使得化合物中的铁、钴、镍中的任一或几种离子与高分子聚合物的交本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空心洋葱碳球的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：将含铁化合物、含钴化合物、含镍化合物或同时含有铁、钴、镍中任两种或三种的化合物中的任一或几种加入溶剂溶解形成摩尔浓度为5％
‑
20％的溶液，加入含有交换基团的高分子聚合物，以100r/min～700r/min转速充分搅拌，使得化合物中的铁、钴、镍中的任一或几种离子与所述高分子聚合物的交换基团发生并完成离子交换，然后进行过滤与清洗，干燥后得到具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物；将所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物放入反应装置中，升温至700℃～1300℃并保温5小时～15小时，用以对所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物进行高温碳化处理并进行粉碎与分级，得到聚合物材料；其中，所述具有铁和/或钴和/或镍离子的高分子聚合物在所述保温过程中先形成渗碳体结构，随着铁和/或钴和/或镍离子向材料内部扩散，在材料外层形成洋葱碳层；将所述聚合物材料在保护气氛环境下以1℃/min～10℃/min升温至2000℃～2500℃，保温1小时～10小时，使得材料内部的所述铁和/或钴和/或镍元素通过材料的孔隙逸出，形成空心洋葱碳球聚合体；将所述空心洋葱碳球聚合体浸泡在去离子水或乙醇中，超声5小时～10小时后，对所的样品进行洗涤、过滤、烘干，得到所述空心洋葱碳球。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交换基团包括：...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉祥，罗飞，
申请(专利权)人：溧阳天目先导电池材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：