一种介孔碳球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种介孔碳球及其制备方法和应用。本发明专利技术的制备方法，包括如下步骤：S1.将胶体二氧化硅分散在水中，再与苯胺、强酸溶液混合，得到分散液；在0～10℃条件下，向分散液中加入引发剂的盐酸水溶液，然后进行聚合反应，得到二氧化硅‑聚苯胺复合材料；S2.在惰性气体气氛中，所述二氧化硅‑聚苯胺复合材料经过煅烧处理进行碳化，得到二氧化硅‑碳复合物；S3.将所述二氧化硅‑碳复合物去除二氧化硅模板，得到所述介孔碳球。本发明专利技术通过以胶体二氧化硅为模板，苯胺为碳源，制得了介孔碳球。本发明专利技术所开发的介孔碳球比表面积大、介孔结构丰富，且孔径可控制，作为钾离子电池负极材料时能够极大地提高钾离子电池的循环稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种介孔碳球及其制备方法和应用
本专利技术涉及钾离子电池
，更具体的，涉及一种介孔碳球及其制备方法和应用。
技术介绍
当今，化石燃料消耗剧增，不仅造成温室效应，也导致资源日益紧张。因此，太阳能和风能等清洁能源被广泛使用，但需要借助大规模能源存储系统解决其间歇性问题。锂离子电池因具有高能量密度和稳定的循环寿命已被运用到大规模能源存储系统中，但锂资源存在分布不均以及成本增加等问题。于是，相对价廉和资源丰富的钾离子电池在近年来获得了关注和研究。针对钾离子电池的优点，已有报道：(1)钾的标准氧化还原电位与锂相近，利于获得高工作电压和高能量密度；(2)钾离子的斯托克斯半径小，具有更高的离子迁移率和离子电导率；(3)商业化的石墨能作为钾离子电池负极材料，有助于利用现有的制造工艺，而不额外增加制造成本。然而，钾离子电池仍面临如下技术问题：钾离子的半径大于锂离子的半径致使钾离子在嵌入和脱嵌过程中会引起较大的体积膨胀和存在较大的扩散阻力，从而使钾离子电池的循环稳定性低和倍率性能差。因此，基于合适的材料，进行合理的结构设计对获得容纳并实现钾离子快速传输的负极材料至关重要。碳材料具有价格低、耐用和无毒等特点，有助于保持材料的结构稳定性，有可能在商业领域中得到应用。中国专利申请CN111606321A公开了一种钾离子修饰石墨烯复合材料，将石墨烯材料应用于钾离子电池负极材料中。但石墨存在较低的理论容量(279mAhg-1)，且半径大的钾离子在石墨烯层间进行嵌入和脱嵌时会发生体积膨胀破坏结构稳定性，从而降低电池的循环寿命和比容量。因此，还需要开发出一种高容量、稳定性好的负极材料，以提高钾离子电池的循环稳定性和倍率性能。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的容量低、稳定性差的缺陷，提供一种介孔碳球的制备方法，通过该方法可以较准确地控制制备得到的介孔碳球的孔径大小，且制得的介孔碳球比表面积大、介孔结构丰富，能够极大地提高钾离子电池的循环稳定性。本专利技术的另一目的在于提供上述制备方法制得的介孔碳球。本专利技术的另一目的在于提供上述介孔碳球作为钾离子电池负极材料的应用。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种介孔碳球的制备方法，包括如下步骤：S1.将胶体二氧化硅分散在水中形成二氧化硅预分散液，再与苯胺、强酸溶液混合，得到分散液；在0～10℃条件下，向分散液中加入引发剂的盐酸水溶液，然后进行聚合反应，得到二氧化硅-聚苯胺复合材料；S2.在惰性气体气氛中，所述二氧化硅-聚苯胺复合材料经过煅烧处理进行碳化，得到二氧化硅-碳复合物；S3.将所述二氧化硅-碳复合物去除二氧化硅模板，得到所述介孔碳球。所述胶体二氧化硅为二氧化硅的液体分散体，由粒径均匀的纳米级二氧化硅颗粒均匀分散在水中。本专利技术通过以胶体二氧化硅为模板、以苯胺为碳源，经过聚合反应得到二氧化硅-聚苯胺复合材料，再经碳化、去除模板，得到了具有较大比表面积、丰富介孔结构的介孔碳球，介孔碳球的孔径大小可通过调节胶体二氧化硅模板的粒径进行控制。专利技术人研究发现，以二氧化硅作为模板不仅要求二氧化硅具有较高的表面积，还需要其粒径均一程度高、单分散性好。胶体二氧化硅不仅具有单分散性好的特点，而且其粒径尺寸高度均一，同时具有较大的比表面积，能够为聚合反应提供均匀的SiO2模板和丰富的附着位点。这使得合成得到的介孔碳球的孔径分布相对窄，实现孔径均匀，有利于介孔材料的可控构筑。本专利技术以苯胺作为碳源，且经聚合反应与二氧化硅复合。经聚合反应生产的聚苯胺经碳化后，会在碳材料中形成氮原子掺杂。这增加了碳材料的活性位点和电负性，有利于促进碳材料对钾离子的吸附和脱附，从而提高钾离子电池的容量。而若仅以苯胺作为碳源，不经聚合反应，苯胺作为单体小分子无法形成稳定的有机大分子包覆在SiO2模板上，从而难以有效促进碳材料对钾离子的吸附和脱附，进而无法提供钾离子电池的性能。优选地，所述胶体二氧化硅中二氧化硅颗粒的平均粒径为5～50nm。在使用相同质量胶体二氧化硅为模板的前体下，当胶体二氧化硅平均粒径越小时，合成得到的介孔碳球的介孔孔径更小，同时具有更大的比表面积。这使得介孔碳球与电解液的接触面积增大，从而缩短钾离子的传输距离，进一步促进了钾离子电池的电化学性能的提高。更优选地，所述胶体二氧化硅中二氧化硅颗粒的平均粒径为5～22nm。进一步优选地，所述胶体二氧化硅中二氧化硅颗粒的平均粒径为7nm。优选地，所述胶体二氧化硅所含的二氧化硅占10～50wt.％。优选地，步骤S1中，所述胶体二氧化硅所含的二氧化硅绝对量与苯胺、水满足质量比1：(0.1～10)：(0.5～100)。优选地，S1中所述强酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、高氯酸溶液。优选地，所述强酸溶液的浓度为0.1～10mol/L，胶体二氧化硅与强酸溶液的用量比为0.1～10g∶1mL。优选地，所述引发剂为过硫酸铵、过硫酸钾、过氧化氢或氯化铁中的一种或几种。更优选地，所述引发剂为过硫酸铵。优选地，所述苯胺与引发剂的质量比为(0.1～1)∶1。优选地，S1中所述聚合反应为在0～10℃条件下加入引发剂，聚合时间为12～48h。具体的，S1的步骤为：将胶体二氧化硅分散于水中后，与苯胺、强酸溶液混合均匀，得到分散液；将盐酸溶液加至溶有引发剂的水中，得到混合溶液，将混合溶液放置于0～10℃静置预冷；将预冷的混合溶液加至分散液中，在0～10℃下进行聚合反应，得到二氧化硅-聚苯胺复合材料。优选地，S2中所述煅烧处理的温度为650～1200℃，时间为1～24h。更优选地，S2中所述煅烧处理的温度为750～1050℃，时间为1～12h。更进一步优选地，S2中所述煅烧温度为900℃，时间为2h。优选地，S2中所述煅烧处理的升温速率为2～20℃/min。优选地，S3中所述去除二氧化硅模板的方法为：将所述二氧化硅-碳复合物分散于0.1～10mol/L氢氧化钠溶液中，搅拌去除二氧化硅模板。优选地，所述二氧化硅-碳复合物与氢氧化钠溶液的用量比为(0.0005～0.05g)∶1mL。本专利技术还保护一种介孔碳球，所述介孔碳球由上述制备方法制得。所述介孔碳球的比表面积≥700m2/g。本专利技术还保护上述介孔碳球作为钾离子电池负极材料的应用。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术通过以胶体二氧化硅为模板，苯胺为碳源，通过聚合生成二氧化硅-聚苯胺复合材料，再经碳化、去除模板获得了介孔碳球，所述介孔碳球的孔径大小可通过调节胶体二氧化硅模板的二氧化硅粒径进行控制。本专利技术所开发的介孔碳球比表面积大、介孔结构丰富，作为钾离子电池负极材料时能够极大地提高钾离子电池的循环稳定性。附图说明图1为实施例1制备的介孔碳球的扫描电子显微镜图。图2为实施例1制备的介孔碳球的透射电子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种介孔碳球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.将胶体二氧化硅分散在水中形成二氧化硅预分散液，再与苯胺、强酸溶液混合，得到分散液；/n在0～10℃条件下，向分散液中加入引发剂的盐酸水溶液，然后进行聚合反应，得到二氧化硅-聚苯胺复合材料；/nS2.在惰性气体气氛中，所述二氧化硅-聚苯胺复合材料经过煅烧处理进行碳化，得到二氧化硅-碳复合物；/nS3.将所述二氧化硅-碳复合物去除二氧化硅模板，得到所述介孔碳球。/n

【技术特征摘要】
1.一种介孔碳球的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将胶体二氧化硅分散在水中形成二氧化硅预分散液，再与苯胺、强酸溶液混合，得到分散液；
在0～10℃条件下，向分散液中加入引发剂的盐酸水溶液，然后进行聚合反应，得到二氧化硅-聚苯胺复合材料；
S2.在惰性气体气氛中，所述二氧化硅-聚苯胺复合材料经过煅烧处理进行碳化，得到二氧化硅-碳复合物；
S3.将所述二氧化硅-碳复合物去除二氧化硅模板，得到所述介孔碳球。


2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述胶体二氧化硅中二氧化硅颗粒的平均粒径为5～50nm。


3.根据权利要求3所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所述胶体二氧化硅中二氧化硅颗粒的平均粒径为5～22nm。


4.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，步骤S1中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宏岩，郑洁峰，孙影娟，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东;44