一种氢化碳纳米球及其制备方法和用途技术

本发明专利技术的一种氢化碳纳米球及其制备方法和用途，属于材料制备的技术领域。氢化碳纳米球是碳原子层层包覆形成类石墨结构的实心的纳米球体，在纳米球体上有微孔。制备是以三氯甲烷为原料、金属钾为催化剂，在反应釜内温度80～100℃下反应10～12h，过滤干燥得到黑色粉末。用途是作为锂电池的阳极材料。本发明专利技术合成了纳米尺度，形貌特殊，分布均匀的氢化碳纳米球；反应过程中，在催化剂的强烈作用下，片层结构的无序性连接形成了带有微孔结构的碳纳米球，为锂离子的嵌入提供了可能，成为具有优异的电化学性能的锂电池制作材料；反应物成本低，反应条件低，操作过程简单，产率高，适用于大规模投入生产。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术的，属于材料制备的
。氢化碳纳米球是碳原子层层包覆形成类石墨结构的实心的纳米球体，在纳米球体上有微孔。制备是以三氯甲烷为原料、金属钾为催化剂，在反应釜内温度80～100℃下反应10～12h，过滤干燥得到黑色粉末。用途是作为锂电池的阳极材料。本专利技术合成了纳米尺度，形貌特殊，分布均匀的氢化碳纳米球；反应过程中，在催化剂的强烈作用下，片层结构的无序性连接形成了带有微孔结构的碳纳米球，为锂离子的嵌入提供了可能，成为具有优异的电化学性能的锂电池制作材料；反应物成本低，反应条件低，操作过程简单，产率高，适用于大规模投入生产。【专利说明】
本专利技术属于材料制备的
，特别涉及在电化学方面表现出优越性能的类石墨氢化碳纳米球的制备方法。
技术介绍
自2009年Geim等人成功合成出氢化石墨稀以来，氢化碳材料就因其可修改的结构以及独特的性质而引发了科学家的广泛关注。通过不同的修饰和合成方法得到的氢化碳材料表现出了许多不同的优异性能，如良好的机械、电学和光学性质等，同时氢化碳材料已作为ー种新型复合材料应用于防摩擦、储能等各个不同领域。从结构方面，可以通过对石墨框架的加氢作用来改变碳原子的杂化形式(sp2-sp3)，形成畸变的碳环，増加碳原子层间距以得到新的结构失调、多孔的材料，使氢化碳材料表现出理想的电化学性能；而且氢原子与碳原子基团的稳定结合还可以形成类金刚石结构，使材料具有良好的机械性能；此外，选择性的对碳框架进行加氢和脱氢作用还是ー种很有前途的储氢方式。这些显著的优异性能都促使着人们争相去寻找合成不同性质不同形貌的氢化碳材料的方法。已经被报道的氢化碳材料包括氢化石墨稀、氢化碳纳米球、氢化碳纳米带等，其中对氢化碳纳米球的合成报道尤其少见。已知的合成氢化碳纳米球的方法，通常需要高温、多反应过程、不易于操作或复杂的实验设备等成本大，实验条件严苛的缺点，进而很难大規模投入生产。例如，与本合成方法相近的G.P.Yong etc.，Carbon, 2013, 55，369-371，文献中合成的碳纳米球为非晶结构 并且互相粘连在一起，无法保证其稳定性，同时其选取的碳源为碘苯，温度为120°C，并需多步反应过程，而且在空气中搅拌加入了碱金属的苯类与こ醇的溶液还极易发生爆炸。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，利用含氢的小分子碳源在低温水热条件下合成氢化碳纳米球。合成的氢化碳纳米球为类石墨结构，分散性好，具有很好的稳定性，在形貌上呈现出了实心的微孔结构。本专利技术的具体的技术方案如下。一种氢化碳纳米球，在碳原子构成的骨架上连接有氢原子，其特征是，碳原子层层包覆形成类石墨结构的实心的纳米球体，在纳米球体上有微孔。所述的纳米球体，粒径在40-90nm之间；微孔的直径集中于2.6nm。本专利技术合成的氢化碳纳米球属纳米尺度，为类石墨结构，分布均匀，分散性好，具有很好的稳定性，在形貌上呈现出了实心的微孔结构，因此在作为锂电池的阳极材料时表现出了极其优异的电化学性能。一种氢化碳纳米球的制备方法，以三氯甲烷(CHCl3)*原料、金属钾(K)为催化剂，三氯甲烷和金属钾用量的体积质量比约为25-28.3ml/g ;制备过程是:将三氯甲烷倒入反应釜内，保证填充率在75%-85%之间；再投入金属钾，将反应釜密闭；在温度80-100°C下反应10-12h，自然降温后得到黑色沉淀；将沉淀用无水こ醇和去离子水分别洗涤过滤去除杂质，干燥得到黒色粉末。在干燥步骤中，温度和时间并没有严格的要求，高温可缩短干燥时间，低温需延长干燥时间，直至溶剂完全挥发即可。优选的三氯甲烷和金属钾用量的体积质量比为26.6-26.7ml/g ;优选的填充率为80% ;优选的反应条件是在温度80°C下反应I Oh。本合成方法选取了易裂解的小分子含氢碳源，降低了反应温度，简化了实验过程，同时采用了设备要求简单、操作简便快捷、安全有效的水热合成法，从而降低了反应成本，简化了实验过程，得到的合成产物形貌特殊、分布均匀，也更加稳定；并且大大提高了氢化碳纳米球的产出率，为大規模、高产率的合成氢化碳材料提供了方向。同时碳原子结合的无序性也为其良好的电化学性能提供了可能。将制得的黒色粉末经由拉曼(Raman)光谱、红外(IR)光谱、X射线衍射(XRD)光谱、透射电子显微镜(TEM)、装备有X射线能量色散谱(EDS)分析仪的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及X射线光电子(XPS)能谱测试进行表征，确定合成出的样品为具有类石墨结构的氢化碳纳米球，并通过BET比表面积测试确定了材料的微孔结构，通过对其进行锂电池的充放电、循环性能以及CV曲线方面的测试确定了其作为锂电池阳极材料表现出的良好电化学性能。本专利技术还请求保护氢化碳纳米球的用途。一种氢化碳纳米球的用途，作为锂电池阳极材料。其制作锂电池阳极的过程是，将氢化碳纳米球粉末与导电助剂、粘结剂混合研磨一段时间，涂于铜片上，作为阳扱`。本专利技术制备的氢化碳纳米球具有以下优点:( I)合成了纳米尺度，形貌特殊，分布均匀的氢化碳纳米球。(2)反应过程中，三氯甲烷(CHCl3)裂解成碳氢基团组成片层结构后层层包裹，形成碳纳米球。在催化剂的強烈作用下，片层结构的无序性连接形成了带有微孔结构的碳纳米球，为锂离子的嵌入提供了可能，使碳纳米球具有了优异的电化学性能，是良好的锂电池制作材料。(3)反应物成本低，产率高。(4)反应条件低，操作过程简单，实验周期短，适用于大規模投入生产。【专利附图】【附图说明】图1为实施例1制得的氢化碳纳米球的Raman光谱。Raman光谱说明样品为含氢的类石墨结构。图2为实施例1制得的氢化碳纳米球的IR光谱。IR光谱说明了样品中具有含氢的sp2及sp3基团存在。图3为实施例1制得的氢化碳纳米球的TEM图像(小图为单一球体电子衍射图像)。TEM图像表明碳纳米球分布均勻,大小属纳米量级,粒径在40-90nm之间,集中于70nm ;嵌入小图为单一球体的电子衍射图像，说明样品具有趋近于石墨的不明显的晶体结构。图4为实施例1制得的氢化碳纳米球的HRTEM图像。HRTEM图像表明样品为表面不光滑的实心球体，其部分具有晶体结构的区域呈现出了类石墨结构。图5为实施例1制得的氢化碳纳米球的EDS能谱。EDS能谱表明样品除氢以外含碳量在97%以上。图6为实施例1制得的氢化碳纳米球(HCNSs)与石墨(graphite)对比的XRD谱。进ー步证明了样品的类石墨结构。图7为实施例1制得的氢化碳纳米球的Cls能谱及其拟合谱线。更进ー步证明了样品中sp2与sp3杂化的碳原子基团的存在。图8为实施例1制得的氢化碳纳米球的BET氮吸附脱附曲线。图9为实施例1制得的氢化碳纳米球的BET孔径分布曲线BET氮吸附脱附曲线与孔径分布曲线，明确表明了合成的氢化碳纳米球样品中微孔结构的存在，且微孔直径集中于2.6nm。图10为氢化碳纳米球作为阳极材料制成锂电池的CV曲线。CV曲线表明材料在作为锂电池阳极材料时，第一个循环后表面可以形成固体电解质膜，使锂电池充放电能力趋于稳定。图11为氢化碳纳米球作为阳极材料制成锂电池的充放电曲线。充放电曲线表明，在50个循环后样品制成锂电池的储电能力依然可以维持在1059mAh/g这ー极高的水平上。图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氢化碳纳米球，在碳原子构成的骨架上连接有氢原子，其特征是，碳原子层层包覆形成类石墨结构的实心的纳米球体，在纳米球体上有微孔。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：姚明光，肖俊平，刘冰冰，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
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