CN104743542A - 一种空心介孔碳球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种空心介孔碳球及其制备方法，属于材料技术和新能源领域。本发明以具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球为模板，糠醇为碳源，通过碳化、除模板制备具有介孔结构的空心碳球。空心碳球为由介孔碳组成的薄壁空心结构，颗粒分散均匀，粒径直径范围为1～3μm，粒径直径具有可调性。用空心介孔碳球制成的超级电容器，具有高的比容量和容量保持率。

Description

一种空心介孔碳球及其制备方法
技术领域
本发明涉及介孔碳球材料领域，尤其涉及一种由介孔碳构成球壁的空心碳球的制备方法。
背景技术
自20世纪九十年代C60被发现，又相继发现碳纳米管和石墨烯，他们高的比表面积、高的强度以及优越的化学稳定系与热稳定性引起了科研工作者广泛的关注。其中，空心球的特殊空心结构使得这种材料与其块体材料相比具有比表面积大、密度小等特性，因此空心球的应用范畴不断扩大。
由于空心碳微球在电化学、催化、吸附等方面表现出的有异性更是受到研究者的青睐，其合成方亦各成体系，其中以模板法、水热法、化学气象沉淀法及碳源裂解法比较系统。
本发明的目的是以单分散性具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球为模板，制备出具有介孔结构球壁的空心碳球，球径具有可调性。本发明采用的方法只需经过浸渍、碳化、除去模板过程就能得到空心碳球材料。该方法制备空心碳球具有产率高、可控性好等优点。
本发明的所得的具有介孔结构球壁的空心碳球的制备方法包括如下步骤：
步骤一：本发明首先按一定摩尔比称取硅源与表面活性剂，然后将表面活性剂溶于880ml的PH在10左右的去氨水溶液中，随后加入硅源，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；
步骤二：将步骤一得到的具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于一定的糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保 温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
本发明进一步的优选方案是：所述碳源选自糠醇。
本发明进一步的优选方案是：所述表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)。
本发明进一步的优选方案是：所述硅源与表面活性剂的摩尔比选自1∶0.0625～1∶0.125。
本发明进一步的优选方案是：使用氨水调节PH值。
本发明由于采用具有介孔孔道结构球壁的空心碳球作为超级电容器电极材料，具有较高的放电比容量和电容保持率。通过电化学测试，在0.02电流密度下，首次放电比容量高达177F/g，0.1A电流密度下，其放电比容量稳定在121F/g，在大电流密度1A/g下比容量仍有107F/g。
附图说明
附图1具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球的扫描电镜照片(a)和高分辨透射照片(b)。
附图2空心碳球的扫描电镜(SEM)图。
附图3空心碳球的透射电镜(TEM)图。
附图4空心碳球的XRD图谱。(a为小角XRD图；b为大角XRD图)
附图5空心碳球氮气吸脱附曲线(a)和孔径分布曲线(b)。
附图6空心碳球在不同电流密度下的比容量图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行更详细地说明
实施例1
按摩尔比1∶0.125称取正硅酸乙酯(TEOS)5.6ml与表面活性剂CTAB 0.56g， 取24ml氨水溶于880ml去离子水中，加热至50℃，然后将CTAB加如其中，降至室温后加入5.6ml TEOS，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；将具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于2ml糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
附图1具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球的扫描电镜照片(a)和高分辨透射照片(b)可以看出，有序介孔孔道贯穿纳米二氧化硅球。
如附图2扫描电镜(SEM)图和附图3透射电镜(TEM)图可以看出空心碳球具有空心结构，空心碳球直径范围为500nm～3μm，且分布均匀。
如附图4X-射线衍射(XRD)图可以看出空心碳球只含有碳元素一种，同时具有一定的介孔结构存在。
如附图5空心碳球氮气吸脱附曲线(a)和孔径分布曲线(b)可以看出，空心碳球为介孔结构。
如附图6不同电流密度下的比容量图所示，在0.1A/g的电流密度下，其容量最高达到121F/g，即使在高电流密度1A/g下，其容量仍有107F/g。
实施例2
按摩尔比1∶0.25称取正硅酸乙酯(TEOS)2.8ml与表面活性剂CTAB 0.56g，取24ml氨水溶于880ml去离子水中，加热至50℃，然后将CTAB加如其中，降至室温后加入2.8ml TEOS，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；将具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于2ml糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在 160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
实施例3
按摩尔比1∶0.125称取正硅酸乙酯(TEOS)5.6ml与表面活性剂CTAB 0.56g，取24ml氨水溶于880ml去离子水中，加热至50℃，然后将CTAB加如其中，降至室温后加入5.6ml TEOS，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；将具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于4ml糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
实施例4
按摩尔比1∶0.125称取正硅酸乙酯(TEOS)5.6ml与表面活性剂CTAB 0.56g，取24ml氨水溶于880ml去离子水中，加热至50℃，然后将CTAB加如其中，降至室温后加入5.6ml TEOS，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；将具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于8ml糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
以上已对本发明的优选实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等 同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种空心介孔碳球及其制备方法，其特征在于：以具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球为模板，采用硬模板法制备出具有介孔结构的空心碳球。
2.按照权利要求1所述一种制备具有介孔结构的空心碳球方法，其特征在于按下列步骤制得：
步骤一：按摩尔比1∶0.0625～1∶0.125称取硅源与表面活性剂，然后将表面活性剂溶于880ml的PH在10左右的去氨水溶液中，随后加入硅源，搅拌2h，静置一定的时间后离心洗涤后得到具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球；
步骤二：将步骤一得到的具有贯穿孔道的有序介孔纳米二氧化硅球浸渍于一定的糠醇中，真空静置2h后，于80℃反应24h得到棕色固体，在160℃预碳化6h，然后将制得的复合材料在氮气保护，以1℃/min升温速率升至850℃后保温2h，得到黑色粉末，随后将其在HF中浸泡24h洗涤干燥后得到空心碳球。
3.根据权利要求2所述制备空心碳球的方法，其特征在于，空心球直径具有可调性。
4.根据权利要求2所述制备空心碳球的方法，其特征在于，所述硅源选自正硅酸乙酯(TEOS)，表面活性剂选自十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，碳源选自糠醇。
5.根据权利要求2所述制备空心碳球的方法，其特征在于，所述的硅源与表面活性剂的摩尔比具有可调性(最佳为1∶0.0625～1∶0.125)。
6.根据权利要求2所述制备空心碳球的方法，其特征在于，所述的碳源的用量可以在2ml-8ml之间改变。
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