本发明属于多孔碳材料制备,涉及一种高导电多孔碳材料、制备方法及其在储能设备中的应用。
背景技术:
1、根据储能机制的不同,超级电容器可分为两种,即:双电层电容器和赝电容器。其中双电层电容器是基于在电极、电解质界面处进行静电积累进行能量存储的,常用的电极材料有活性炭、碳纳米管、碳气凝胶等碳基多孔材料。值得注意的是,双电层电容器其充放电过程主要是发生在电极材料的表面,因而电容器的电化学性能在很大程度上取决于电极材料的比表面积。
2、金属有机骨架(metal-organicframeworks,mof)是金属离子和有机配体通过自组装形成的具有周期性网络结构的一种晶态材料。mof材料具有较高的比表面积、多样的配体和金属中心、可控的孔道尺寸和功能结构等特点。以mof材料作为前驱体得到的衍生物具有均匀孔径、高孔隙率和可控形态的纳米多孔结构,例如多孔碳或金属氧化物纳米结构等。其中多孔结构通常由有机配体的分解或mof金属在高温下蒸发产生。在mof衍生材料中,因为多孔碳具有高的比表面积和丰富的活性位点,同时高温碳化产生的石墨化碳赋予多孔碳导电性,是非常具有前景的电极材料。
3、但是mof衍生多孔碳也存在明显的缺陷,比如石墨化程度低导致的导电性差以及某些mof如zif-67自身的比表面积较小,这些缺陷限制了mof衍生多孔碳在超级电容器领域的进一步应用。因此,亟需对mof衍生多孔碳的导电性和比表面积进行改进,以拓宽mof衍生多孔碳的应用场景。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足,本发明的目的在于提供一种高导电多孔碳材料、制备方法及其在储能设备中的应用。
2、为达此目的,本发明采用以下技术方案:
3、第一方面,本发明提供了一种高导电多孔碳材料的制备方法,所述制备方法包括:
4、首先,对聚苯乙烯微球进行磺化改性和聚多巴胺包覆改性,得到包覆改性聚苯乙烯微球;
5、随后,对碳纳米管进行改性处理,得到改性碳纳米管;以钴和镍为金属中心,以2-甲基咪唑为有机配体,以所述改性碳纳米管为导电填料,通过水热合成法在所述包覆改性聚苯乙烯微球表面原位合成了由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料,最终得到由包覆改性聚苯乙烯微球以及负载于所述包覆改性聚苯乙烯微球表面的所述复合多孔材料组成的空心碳球前驱体;
6、最后,以钼酸铵和硫脲为原料,在所述空心碳球前驱体表面原位反应生成二硫化钼纳米片,得到所述高导电多孔碳材料。
7、作为本发明一种优选的技术方案,所述制备方法具体包括如下步骤:
8、(ⅰ)将微球种子、邻苯二甲酸二丁酯和甲苯加入十二烷基硫酸钠溶液中,同时进行机械搅拌和水浴加热,得到微球乳液;将苯乙烯单体、二乙烯基苯单体和2,2-偶氮二异丁腈加入十二烷基硫酸钠溶液中,混合均匀后得到微球前体溶液;将所述微球前体溶液加入所述微球乳液中,混合均匀后得到反应前体溶液,向所述反应前体溶液中加入聚乙烯醇溶液,混合均匀后得到反应溶液,在绝氧环境下对所述反应溶液进行加热并搅拌以发生反应,对反应产物依次进行去离子水清洗、索式提取、无水乙醇清洗、离心分离和真空干燥,得到聚苯乙烯微球;
9、(ⅱ)将步骤(ⅰ)得到的所述聚苯乙烯微球分散于乙醇水溶液中,超声分散后得到微球分散液,向所述微球分散液中加入浓硫酸,超声分散后得到磺化微球溶液,对所述磺化微球溶液进行加热并搅拌以发生反应,反应结束后经过滤、洗涤和干燥后得到磺化聚苯乙烯微球;将多巴胺溶解于tris-hcl缓冲液中,混合均匀后得到多巴胺溶液;将所述磺化聚苯乙烯微球分散于所述多巴胺溶液中,在室温下搅拌,使得多巴胺在所述磺化聚苯乙烯微球的表面原位聚合形成聚多巴胺层,随后经过滤、洗涤和干燥后得到包覆改性聚苯乙烯微球;
10、(ⅲ)将碳纳米管分散于由浓硫酸和浓硝酸组成的混酸溶液中,超声分散后得到第一分散液,对所述第一分散液进行加热并搅拌,随后经过滤、洗涤和干燥后得到第一碳纳米管;将所述第一碳纳米管分散于酸性过氧化氢溶液中,得到第二分散液,在保护性气氛下,对所述第二分散液施加高温和高压以发生反应,反应结束后得到第二碳纳米管;将所述第二碳纳米管、聚乙二醇2000、聚乙烯吡咯烷酮和去离子水混合均匀得到第三分散液,在氮气气氛下,对所述第三分散液进行回流反应,反应结束后经过滤、洗涤和干燥后得到改性碳纳米管;
11、(ⅳ)将步骤(ⅲ)得到的所述改性碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和甲醇混合,超声分散后得到碳纳米管悬浮液,向所述碳纳米管悬浮液中加入六水合硝酸钴和六水合硝酸镍,超声分散后得到金属盐溶液,向所述金属盐溶液中加入步骤(ⅱ)得到的所述包覆改性聚苯乙烯微球,混合均匀后得到前驱体溶液;将2-甲基咪唑溶解于甲醇中,得到有机配体溶液;将所述前驱体溶液和所述有机配体溶液混合均匀,得到碳球前体溶液,对所述碳球前体溶液进行水热反应,将反应得到的反应产物进行洗涤、离心分离和干燥,得到空心碳球前驱体;
12、(ⅴ)将步骤(ⅳ)得到的所述空心碳球前驱体平铺于第一瓷舟中,将次磷酸钠平铺于第二瓷舟中,将所述第一瓷舟和所述第二瓷舟有间距的放入管式炉内,向所述管式炉内通入氢气和氮气的混合气体,对所述空心碳球前驱体进行磷化反应,将反应得到的反应产物进行洗涤、干燥,得到磷化空心碳球前驱体;在保护性气氛下,以第一升温速率将所述磷化空心碳球前驱体加热至第一温度并保温,随后以第二升温速率加热至第二温度并保温,最后随炉冷却至室温,完成碳化处理,得到空心碳球复合材料;
13、(ⅵ)将步骤(ⅴ)得到的所述空心碳球复合材料分散于无水乙醇中,得到碳球分散液;将钼酸铵和硫脲溶于无水乙醇中,得到mos2前体溶液;将所述碳球分散液与所述mos2前体溶液混合,超声分散后得到反应混合液;以第三升温速率将所述反应混合液加热至第三温度并保温,随后,以第四升温速率将所述反应混合液加热至第四温度并保温,保温结束后随炉冷却至室温,使得钼酸铵和硫脲反应生成二硫化钼纳米片并负载于所述空心碳球复合材料的表面,得到所述高导电多孔碳材料。
14、本发明提供的制备方法以磺化聚苯乙烯微球作为模板牺牲材料,在磺化聚苯乙烯微球表面通过原位氧化自聚合形成聚多巴胺层;随后,以钴和镍为金属中心,以2-甲基咪唑为有机配体,以改性碳纳米管为导电填料,通过水热合成法合成了由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料,并使得复合多孔材料负载于聚多巴胺层表面,在高温碳化过程中,聚多巴胺层形成了具有微孔的球形结构碳壳骨架,其内部的聚苯乙烯微球则在高温下分解成了二氧化碳和水蒸气,聚多巴胺层表面负载的复合多孔材料则形成了具有片层堆叠的多孔道碳结构。最后,将碳化后得到的空心碳球复合材料与mos2前体溶液混合,经水热反应在空心碳球复合材料表面原位合成二硫化钼纳米片,最终制备得到了具有优异电化学性能的高导电多孔碳材料。
15、本发明采用单分散的聚苯乙烯微球作为微球种子,利用两步溶胀聚合法制备得到了具有介孔结构的聚苯乙烯微球。在聚苯乙烯微球的制备过程中采用邻苯二甲酸二丁酯和甲苯作为复合溶胀剂,邻苯二甲酸二丁酯虽是聚苯乙烯微球的良溶剂,得到的聚苯乙烯微球表面呈现海绵状孔隙,平均孔径较小,但邻苯二甲酸二丁酯对苯乙烯单体和二乙烯基苯单体的吸附能力较弱,导致有少部分苯乙烯单体和二乙烯基苯单体处于游离态,使得苯乙烯单体和二乙烯基苯单体在微球种子的外部发生聚合反应,因此最终得到的聚苯乙烯微球中含有游离的小颗粒杂质。甲苯的加入提高了溶胀后微球种子吸附单体的能力,从而得到的聚苯乙烯微球中几乎不存在小颗粒杂质。此外,甲苯的加入还会使得聚苯乙烯微球的比表面积增加,平均孔径减小,这是由于,甲苯的加入提高了溶胀后的微球种子对单体的吸附能力,使得微球种子内部的单体浓度增加,聚合时相分离程度提高,溶液相被交联结构分割成更小的液滴,最终导致得到的聚苯乙烯微球的小孔径占比增多,孔径变小,微孔数量提高。
16、本发明分别采用由浓硫酸和浓硝酸组成的混酸溶液以及酸性过氧化氢溶液对碳纳米管进行了氧化改性处理,未改性的碳纳米管的管壁较为完整,碳原子之间形成稳定的六元环结构,只有处在碳纳米管两端的碳原子拥有不饱和键,这种不饱和键具有良好的活性,通过氧化改性处理后的碳纳米管的管壁出现了大量的缺陷,这些缺陷增加了拥有不饱和键的碳原子数量;同时,缺陷处的碳原子还会因为被氧化而形成羟基和羧基等活性官能团,在水热合成空心碳球前驱体的过程中,钴离子和镍离子很容易与改性碳纳米管中的这些活性官能团结合,最终牢固的附着在改性碳纳米管表面,使得空心碳球前驱体与拥有不饱和键的碳原子发生了键合,这种键合可有效提高空心碳球前驱体与改性碳纳米管之间的电子传输,有利于提高多孔碳材料的电容特性。
17、在本发明提供的改性碳纳米管的制备过程中,首先通过由浓硫酸和浓硝酸组成的混酸溶液对碳纳米管进行一次氧化处理,利用混酸溶液的强氧化性使得碳纳米管的外表面和内壁上除羧基外的其他官能团都被氧化为羧基,得到含有丰富羟基和羧基的第一碳纳米管。随后,通过酸性过氧化氢溶液对第一碳纳米管进行二次氧化处理,一方面,可以进一步除去混酸溶液处理时在第一碳纳米管的外表面和内壁上形成的副产物,避免这些副产物对后续碳纳米管与聚乙二醇2000的反应产生不利影响;另一方面,可以去掉第一碳纳米管表面的羧基,仅保留第一碳纳米管内壁处的羧基,经酸性过氧化氢溶液处理后得到了第二碳纳米管。最后,将第二碳纳米管与聚乙二醇2000和分散剂聚乙烯吡咯烷酮溶液混合,进行回流反应,由于第二碳纳米管的外表面已不存在羧基,因此,聚乙二醇2000中的羟基只能与第二碳纳米管内壁上的羧基发生介质反应,使得聚乙二醇2000高分子链在碳纳米管的内部形成“连桥”结构,在一定程度上减小了改性碳纳米管的直径,提升了改性碳纳米管的力学性能,有利于改善多孔碳材料在充放电过程中因体积变化而导致的剥落现象;同时,更小直径的改性碳纳米管形成了电解质离子的传输通道,极大地提升了多孔碳材料的导电性能。
18、对于mof材料而言,较之单一金属活性中心,具备二元金属活性中心通常意味着拥有更为丰富的反应位点及更高的电化学活性。此外,不同金属位点间的协同作用也能在一定程度上提高mofs材料的导电性,并使得其框架结构更为稳定。鉴于钴与镍的元素性质相近,且钴离子同样具备较高的理论比电容,因此本发明选择在ni-mof材料的基础上,引进钴金属活性位点,从而构建ni/co-mof二元金属有机骨架,以提高最终制备得到的多孔碳材料的电化学性能。
19、本发明以钴和镍为金属中心,以2-甲基咪唑为有机配体,以改性碳纳米管为导电填料,在由聚乙烯吡咯烷酮和甲醇组成的混合溶剂体系中通过水热合成法制备得到了由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料,在水热反应过程中,复合多孔材料均匀负载于包覆改性聚苯乙烯微球的表面,最终得到了空心碳球前驱体,空心碳球前驱体包括作为牺牲硬模板的聚苯乙烯微球、通过氧化自聚合反应包覆于聚苯乙烯微球表面的聚多巴胺层以及通过水热合成工艺原位负载于聚多巴胺层表面的由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料。
20、钴离子的引入极大地影响了ni-mof材料的晶体生长环境,使得ni-mof材料的结晶度显著降低,结构无序性得到增强,从而导致ni-mof材料的晶体颗粒细化,有利于促进电解质离子的传输,同时,低结晶相材料具备较为出色的结构稳定性,因此,ni/co-mof材料在充放电过程中具备较强的缓冲应变的能力,制备得到的多孔碳材料的倍率性能也会得到一定程度的改善。此外,由于钴离子具备较高的理论比电容,在ni、co二元金属中心的协同作用下,最终制备得到的高导电多孔碳材料的电容值也能得到大幅提高。
21、本发明通过水热合成反应形成的ni/co-mof材料呈现出以介孔为主导的三维多孔纳米结构,该结构由纳米片交联堆叠而成,且纳米片层之间充斥着大量孔道及间隙。纳米片暴露的活性表面为电化学反应的进行提供了可观的金属活性位点,可以显著提高多孔碳材料的比电容;此外,ni/co-mof材料独特的三维多孔结构有利于电解液的渗透,为电解质离子的传输与扩散提供了便捷的通道,促进了多孔碳材料的电化学反应动力学。
22、碳纳米管存储电荷是基于双电层原理,相对于赝电容,对比电容的贡献较小,本发明在ni/co-mof材料的水热反应过程中引入适量的改性碳纳米管,利用改性碳纳米管的表面缺陷和活性官能团作为ni/co-mof材料的生长中心,提供了ni/co-mof材料晶体的成核位点,并允许异相成核,最终形成了由改性碳纳米管和ni/co-mof材料相互交织、重叠、缠绕的疏松多孔的复合多孔材料,利用ni/co-mof材料自组装合成特性与改性碳纳米管实现了复合,优化了ni/co-mof材料的微观形貌,改善了ni/co-mof材料的原有的致密片层堆叠结构,形成连续二维的疏松结构,不仅可以提供丰富的电解质离子可及空间和电化学活性位点,而且有助于电解质离子的快速渗透和电化学反应动力学的提升。
23、由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的连续二维的疏松结构的优势在于:(1)纳米片层结构的ni/co-mof材料为电化学反应的进行提供了丰富的活性位点,形成的三维多孔道结构有助于电解质离子的快速渗透,并且对长期循环过程中的体积变化有很好的缓冲作用;改性碳纳米管则充当“连接桥梁”的作用,用于连接ni/co-mof纳米片,从而将电子源源不断传递至活性中心,在增大材料比表面积的同时,亦增强了其体相结构的稳定性。(2)ni/co-mof材料的纳米片与纳米片之间、纳米片与改性碳纳米管之间以及改性碳纳米管之间形成的不规则空隙,不仅为电解质离子的快速传输提供了通道,而且在一定程度上起到扰动作用,有利于电解质离子向活性位点扩散,有利于赝电容的生成。(3)改性碳纳米管具备出色的导电性能,能增强材料的导电能力,从而促进氧化还原反应中电子的传输,在一定程度上弥补了ni/co-mof材料导电性的不足,同时,经过氧化改性后的碳纳米管表面的羟基和羧基等活性官能团还能够改善高导电多孔碳材料的表面浸润性。因此,ni/co-mof材料与碳纳米管二者间的协同作用,使得最终制备得到的多孔碳材料兼具赝电容与双电层的优良特性。
24、二硫化钼纳米片拥有类似于石墨的层状结构,s-mo-s的三明治层通过微弱的范德华力连接,层间距约为0.62nm,远远大于石墨的0.34nm,更大的层间距使其可以提供更多的电解质离子储存空间,因此,其理论比容量较高。但二硫化钼纳米片最大的缺陷是其巨大的体积膨胀会导致电极粉化以及材料与集流体脱离,导致多孔碳材料的循环性能较差。本发明将空心碳球复合材料与mos2前体溶液混合后,通过水热合成反应,在空心碳球复合材料的表面原位合成了二硫化钼纳米片,层状材料二硫化钼纳米片与ni/co-mof材料配合,使得碳壳骨架的表面形成了丰富的多孔通道,极大地提高了多孔碳材料的比表面积,有利于促进电解质离子的快速扩散,从而允许不同尺寸的电解质离子与材料表面接触,同时为充电和放电过程中的电化学反应提供了丰富的活性位点。
25、本发明中,二硫化钼纳米片、ni/co-mof材料和改性碳纳米管之间产生了协同增效作用,具体体现在:
26、(1)片层状的二硫化钼具有较大的比表面积和纳米尺度,可以大幅减少电解质离子在充放电过程中的扩散时间和距离;此外,片层状的二硫化钼负载于改性碳纳米管表面,可以与同样具有片层状结构的ni/co-mof材料复合形成多通道孔穴结构,以储存电解质离子,进而提高电解质离子的利用率。
27、(2)当未加入改性碳纳米管时,电解质离子只能在二硫化钼纳米片或ni/co-mof纳米片的二维片层平面内传输,而在二硫化钼纳米片和ni/co-mof纳米片之间由于存在空间位阻的作用,导致电解质离子在二硫化钼纳米片和ni/co-mof纳米片之间的传输较为困难,无法形成连续有效的离子传输路径,导致电解质离子的传输速度大幅降低,本发明通过加入改性碳纳米管,可以作为“导电桥梁”连接于二硫化钼纳米片和ni/co-mof纳米片之间,解决了不同片层之间的离子传输路径不畅的问题。
28、(3)ni/co-mof材料在高温碳化后保留了完整的碳骨架结构,为表面原位生长的二硫化钼纳米片提供了牢固的机械支撑平台,此外,在水热反应过程中,少部分未碳化的ni/co-mof材料会脱水生成低聚物,同时,钼酸铵和硫脲也会生成二硫化钼纳米片,由于二硫化钼纳米片的层间作用力主要是范德华力,因此,当低聚物进入二硫化钼纳米片的片层间后,低聚物分子间会继续脱水碳化形成胶状碳,胶状碳的进入阻止了二硫化钼片层之间的继续堆叠,使得形成的二硫化钼纳米片的层数减小且层间距增加,二硫化钼纳米片层数的减小可以有效抑制二硫化钼纳米片在电化学反应过程中剧烈的体积变化,避免了在充放电过程中的形貌变形,缓解了二硫化钼纳米片在充放电过程中产生的体积膨胀,而二硫化钼纳米片层间距的增加则使得电解质离子可以进行快速的嵌入和脱出。
29、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅰ)中,所述微球种子的粒径为2~3μm,例如可以是2.0μm、2.1μm、2.2μm、2.3μm、2.4μm、2.5μm、2.6μm、2.7μm、2.8μm、2.9μm或3.0μm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30、在一些可选的实例中,所述十二烷基硫酸钠溶液的质量分数为0.2~0.3wt%,例如可以是0.2wt%、0.21wt%、0.22wt%、0.23wt%、0.24wt%、0.25wt%、0.26wt%、0.27wt%、0.28wt%、0.29wt%或0.3wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
31、在一些可选的实例中,所述微球种子、所述邻苯二甲酸二丁酯、所述甲苯和所述十二烷基硫酸钠溶液的比例为1g:(5~10)ml:(15~20)ml:(100~150)ml,例如可以是1g:5ml:15ml:100ml、1g:5.5ml:15.5ml:105ml、1g:6ml:16ml:110ml、1g:6.5ml:16.5ml:115ml、1g:7ml:17ml:120ml、1g:7.5ml:17.5ml:125ml、1g:8ml:18ml:130ml、1g:8.5ml:18.5ml:135ml、1g:9ml:19ml:140ml、1g:9.5ml:19.5ml:145ml或1g:10ml:20ml:150ml,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
32、在一些可选的实例中,所述机械搅拌的转速为400~500rpm,例如可以是400rpm、410rpm、420rpm、430rpm、440rpm、450rpm、460rpm、470rpm、480rpm、490rpm或500rpm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
33、在一些可选的实例中,所述水浴加热的温度为30~40℃,例如可以是30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃或40℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
34、在一些可选的实例中,所述水浴加热的时间为20~30h,例如可以是20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35、在一些可选的实例中,所述苯乙烯单体与所述二乙烯基苯单体的总体积与所述十二烷基硫酸钠溶液的体积的比为(0.02~0.03):1,例如可以是0.02:1、0.021:1、0.022:1、0.023:1、0.024:1、0.025:1、0.026:1、0.027:1、0.028:1、0.029:1或0.03:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
36、在一些可选的实例中,所述苯乙烯单体与所述二乙烯基苯单体的体积比为1:(0.4~0.5),例如可以是1:0.4、1:0.41、1:0.42、1:0.43、1:0.44、1:0.45、1:0.46、1:0.47、1:0.48、1:0.49或1:0.5,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
37、在一些可选的实例中,所述2,2-偶氮二异丁腈与所述苯乙烯单体的质量比为(0.02~0.03):1,例如可以是0.02:1、0.021:1、0.022:1、0.023:1、0.024:1、0.025:1、0.026:1、0.027:1、0.028:1、0.029:1或0.03:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
38、在一些可选的实例中,所述微球前体溶液中的所述苯乙烯单体与所述微球乳液中的所述微球种子的质量比为(100~120):1,例如可以是100:1、102:1、104:1、106:1、108:1、110:1、112:1、114:1、116:1、118:1或120:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39、在一些可选的实例中,所述反应前体溶液中的所述苯乙烯单体与所述聚乙烯醇溶液中的聚乙烯醇的质量比为(0.1~0.2):1,例如可以是0.1:1、0.11:1、0.12:1、0.13:1、0.14:1、0.15:1、0.16:1、0.17:1、0.18:1、0.19:1或0.2:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
40、在一些可选的实例中,所述聚乙烯醇溶液的质量分数为10~12wt%,例如可以是10wt%、10.2wt%、10.4wt%、10.6wt%、10.8wt%、11wt%、11.2wt%、11.4wt%、11.6wt%、11.8wt%或12wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
41、在一些可选的实例中,所述反应溶液的搅拌速率为100~150rpm,例如可以是100rpm、105rpm、110rpm、115rpm、120rpm、125rpm、130rpm、135rpm、140rpm、145rpm或150rpm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
42、在一些可选的实例中,所述反应溶液的加热温度为65~75℃,例如可以是65℃、66℃、67℃、68℃、69℃、70℃、71℃、72℃、73℃、74℃或75℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
43、在一些可选的实例中,所述反应溶液的加热时间为20~30h,例如可以是20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
44、在一些可选的实例中,所述索式提取采用的溶剂由甲醇和乙酸按照(8~9):(1~2)的体积比混合得到,例如可以是8:2、8.1:1.9、8.2:1.8、8.3:1.7、8.4:1.6、8.5:1.5、8.6:1.4、8.7:1.3、8.8:1.2、8.9:1.1或9:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
45、在一些可选的实例中,所述索式提取的时间为5~10h,例如可以是5.0h、5.5h、6.0h、6.5h、7.0h、7.5h、8.0h、8.5h、9.0h、9.5h或10.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
46、在一些可选的实例中,所述索式提取的温度为75~85℃,例如可以是75℃、76℃、77℃、78℃、79℃、80℃、81℃、82℃、83℃、84℃或85℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
47、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅱ)中,所述聚苯乙烯微球与所述乙醇水溶液的质量比为1:(20~30),例如可以是1:20、1:21、1:22、1:23、1:24、1:25、1:26、1:27、1:28、1:29或1:30,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
48、在一些可选的实例中,所述乙醇水溶液中的乙醇和去离子水的体积比为1:(1.5~2),例如可以是1:1.5、1:1.55、1:1.6、1:1.65、1:1.7、1:1.75、1:1.8、1:1.85、1:1.9、1:1.95或1:2,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49、在一些可选的实例中,所述聚苯乙烯微球分散于乙醇水溶液后的超声分散的超声功率为300~400w,例如可以是300w、310w、320w、330w、340w、350w、360w、370w、380w、390w或400w,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
50、在一些可选的实例中,所述聚苯乙烯微球分散于乙醇水溶液后的超声分散的超声时间为1~2h,例如可以是1.0h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
51、在一些可选的实例中,所述微球分散液中的聚苯乙烯微球与所述浓硫酸的质量比为1:(20~25),例如可以是1:20、1:20.5、1:21、1:21.5、1:22、1:22.5、1:23、1:23.5、1:24、1:24.5或1:25,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
52、在一些可选的实例中,所述浓硫酸的质量分数为80~90wt%,例如可以是80wt%、81wt%、82wt%、83wt%、84wt%、85wt%、86wt%、87wt%、88wt%、89wt%或90wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
53、在一些可选的实例中,所述微球分散液中加入浓硫酸后的超声分散的超声功率为400~500w,例如可以是400w、410w、420w、430w、440w、450w、460w、470w、480w、490w或500w,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
54、在一些可选的实例中,所述微球分散液中加入浓硫酸后的超声分散的超声时间为10~20min,例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
55、在一些可选的实例中,所述磺化微球溶液的加热温度为30~40℃,例如可以是30℃、31℃、32℃、33℃、34℃、35℃、36℃、37℃、38℃、39℃或40℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
56、在一些可选的实例中,所述磺化微球溶液的加热时间为2~3h,例如可以是2.0h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h或3.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
57、在一些可选的实例中,所述多巴胺溶液中的多巴胺的浓度为5~8g/l,例如可以是5.0g/l、5.2g/l、5.4g/l、5.6g/l、5.8g/l、6.0g/l、6.2g/l、6.4g/l、6.6g/l、6.8g/l、7.0g/l、7.2g/l、7.4g/l、7.6g/l、7.8g/l或8.0g/l,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
58、在一些可选的实例中,所述多巴胺溶液的ph值为8~9,例如可以是8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9或9.0,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
59、在一些可选的实例中,所述磺化聚苯乙烯微球与所述多巴胺溶液中的多巴胺的质量比为(1.5~2.5):1,例如可以是1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1、2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1或2.5:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
60、本发明特别限定了磺化聚苯乙烯微球与多巴胺溶液中的多巴胺的质量比为(1.5~2.5):1,当多巴胺的添加量低于本发明限定的范围下限时,磺化聚苯乙烯微球表面沉积的多巴胺过少,形成的聚多巴胺层的厚度较薄,结构不稳定,在后续碳化过程中,聚多巴胺层易坍塌,无法形成形状完整的碳壳骨架;同时,碳壳骨架过薄不利于ni/co-mof材料和二硫化钼纳米片的附着,也会在一定程度上影响多孔结构的形成。
61、随着多巴胺添加量的提高,磺化聚苯乙烯微球表面沉积的多巴胺的数量增加,有利于形成结构稳定且厚度适中的聚多巴胺层,使得后期除去磺化聚苯乙烯微球后的碳壳骨架结构仍能完整保存,而不会导致碳壳骨架坍塌。
62、当多巴胺的添加量超过本发明限定的范围上限时,一方面,会导致聚多巴胺包覆层过厚,在高温碳化后形成的碳壳骨架的厚度过大,磺化聚苯乙烯微球热解产生的气体难以冲破碳壳骨架逸出,导致碳壳骨架上形成的微孔数量大幅降低;另一方面,过量的多巴胺无法完全包裹在磺化聚苯乙烯微球表面,未包覆在磺化聚苯乙烯微球表面的多巴胺发生氧化自聚合,在碳化后形成了游离的不规则碳材料,这部分不规则碳材料会以物理沉积的方式附着在碳壳骨架表面,并填充ni/co-mof材料和二硫化钼纳米片之间的空隙,使得多孔碳材料的表面积大幅降低,显著影响了多孔碳材料的电化学性能。
63、在一些可选的实例中,所述磺化聚苯乙烯微球分散于所述多巴胺溶液后搅拌20~30h,例如可以是20h、21h、22h、23h、24h、25h、26h、27h、28h、29h或30h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
64、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅲ)中,所述浓硫酸的摩尔浓度为17~18mol/l,例如可以是17mol/l、17.1mol/l、17.2mol/l、17.3mol/l、17.4mol/l、17.5mol/l、17.6mol/l、17.7mol/l、17.8mol/l、17.9mol/l或18mol/l,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
65、在一些可选的实例中,所述浓硝酸的摩尔浓度为15~16mol/l,例如可以是15mol/l、15.1mol/l、15.2mol/l、15.3mol/l、15.4mol/l、15.5mol/l、15.6mol/l、15.7mol/l、15.8mol/l、15.9mol/l或16mol/l,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
66、在一些可选的实例中,所述浓硫酸和所述浓硝酸的体积比为1:(3~4),例如可以是1:3.0、1:3.1、1:3.2、1:3.3、1:3.4、1:3.5、1:3.6、1:3.7、1:3.8、1:3.9或1:4.0,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
67、在一些可选的实例中,所述碳纳米管与所述混酸溶液的比例为1g:(100~200)ml,例如可以是1g:100ml、1g:110ml、1g:120ml、1g:130ml、1g:140ml、1g:150ml、1g:160ml、1g:170ml、1g:180ml、1g:190ml或1g:200ml,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
68、在一些可选的实例中,所述第一分散液的加热温度为50~60℃,例如可以是50℃、51℃、52℃、53℃、54℃、55℃、56℃、57℃、58℃、59℃或60℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
69、在一些可选的实例中,所述第一分散液的搅拌时间为1~2h,例如可以是1.0h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
70、在一些可选的实例中,所述酸性过氧化氢溶液由冰乙酸、过氧化氢溶液和浓硫酸按照(8~9):(4~5):1的体积比混合得到,例如可以是8:4:1、8.1:4.1:1、8.2:4.2:1、8.3:4.3:1、8.4:4.4:1、8.5:4.5:1、8.6:4.6:1、8.7:4.7:1、8.8:4.8:1、8.9:4.9:1或9:5:1;其中,所述过氧化氢溶液的质量分数为30~40wt%,例如可以是30wt%、31wt%、32wt%、33wt%、34wt%、35wt%、36wt%、37wt%、38wt%、39wt%或40wt%;所述浓硫酸的质量分数为95~98wt%,例如可以是95wt%、95.5wt%、96wt%、96.5wt%、97wt%、97.5wt%或98wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
71、在一些可选的实例中,所述第一碳纳米管与所述酸性过氧化氢溶液的比例为1g:(200~300)ml,例如可以是1g:200ml、1g:210ml、1g:220ml、1g:230ml、1g:240ml、1g:250ml、1g:260ml、1g:270ml、1g:280ml、1g:290ml或1g:300ml,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
72、在一些可选的实例中,所述第二分散液的反应温度为140~150℃,例如可以是140℃、141℃、142℃、143℃、144℃、145℃、146℃、147℃、148℃、149℃或150℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
73、在一些可选的实例中,所述第二分散液的反应压力为0.8~1.2mpa,例如可以是0.8mpa、0.85mpa、0.9mpa、0.95mpa、1.0mpa、1.05mpa、1.1mpa、1.15mpa或1.2mpa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
74、在一些可选的实例中,所述第二分散液的反应时间为30~40min,例如可以是30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min或40min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
75、在一些可选的实例中,所述聚乙二醇2000和所述聚乙烯吡咯烷酮的质量比为(2~3):1,例如可以是2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1或3.0:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
76、在一些可选的实例中,所述聚乙二醇2000和所述聚乙烯吡咯烷酮的总质量与所述第二碳纳米管的质量的比为(1~2):1,例如可以是1.0:1、1.1:1、1.2:1、1.3:1、1.4:1、1.5:1、1.6:1、1.7:1、1.8:1、1.9:1或2.0:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
77、在一些可选的实例中,所述第三分散液中的所述第二碳纳米管的质量分数为1~5wt%,例如可以是1.0wt%、1.5wt%、2.0wt%、2.5wt%、3.0wt%、3.5wt%、4.0wt%、4.5wt%或5.0wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
78、在一些可选的实例中,在所述回流反应开始前,向所述第三分散液中滴加酸溶液,以将所述第三分散液的ph值调整至2~4,例如可以是2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0、3.2、3.4、3.6、3.8或4.0,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
79、在一些可选的实例中,所述回流反应的温度为80~90℃,例如可以是80℃、81℃、82℃、83℃、84℃、85℃、86℃、87℃、88℃、89℃或90℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
80、在一些可选的实例中,所述回流反应的时间为3~5h,例如可以是3.0h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4.0h、4.2h、4.4h、4.6h、4.8h或5.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
81、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅳ)中,所述碳纳米管悬浮液中的改性碳纳米管的质量分数为20~30wt%,例如可以是20wt%、21wt%、22wt%、23wt%、24wt%、25wt%、26wt%、27wt%、28wt%、29wt%或30wt%,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
82、在一些可选的实例中,所述改性碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和甲醇的比例为(40~50)g:(80~90)g:(90~100)l,例如可以是40g:80g:90l、41g:81g:91l、42g:82g:92l、43g:83g:93l、44g:84g:94l、45g:85g:95l、46g:86g:96l、47g:87g:97l、48g:88g:98l、49g:89g:99l或50g:90g:100l,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
83、在一些可选的实例中,所述改性碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和甲醇混合后的超声分散的超声功率为150~250w,例如可以是150w、160w、170w、180w、190w、200w、210w、220w、230w、240w或250w,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
84、在一些可选的实例中,所述改性碳纳米管、聚乙烯吡咯烷酮和甲醇混合后的超声分散的超声时间为50~60min,例如可以是50min、51min、52min、53min、54min、55min、56min、57min、58min、59min或60min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
85、在一些可选的实例中,所述碳纳米管悬浮液中的改性碳纳米管、所述六水合硝酸钴和所述六水合硝酸镍的质量比为1:(20~30):(40~50),例如可以是1:20:40、1:21:41、1:22:42、1:23:43、1:24:44、1:25:45、1:26:46、1:27:47、1:28:48、1:29:49或1:30:50,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
86、改性碳纳米管的引入有效改善了多孔碳材料表面的孔隙构造,使得其孔径分布更有利于电解质离子的扩散与传输,且其有效比表面积有所增加,可以为反应的进行提供丰富的活性位点,这有助于提高多孔碳材料的倍率性能及循环稳定性。其次,改性碳纳米管的引入增强了材料体相结构的稳定性,一定程度上缓解了多孔碳材料在充放电过程中的体积应变。此外,改性碳纳米管还具备出色的导电性,能够增强多孔碳材料的导电能力,继而促进氧化还原反应过程中电子的传输。
87、本发明特别限定了改性碳纳米管、六水合硝酸钴和六水合硝酸镍的质量比为1:(20~30):(40~50),随着改性碳纳米管添加量的提高,所制备得到的空心碳球前驱体表面负载的由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料出现团聚现象,且ni/co-mof材料发生褶皱,不利于电荷离子的转移与储存。
88、在一些可选的实例中,所述碳纳米管悬浮液中加入所述六水合硝酸钴和所述六水合硝酸镍后的超声分散的超声功率为300~400w,例如可以是300w、310w、320w、330w、340w、350w、360w、370w、380w、390w或400w,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
89、在一些可选的实例中,所述碳纳米管悬浮液中加入所述六水合硝酸钴和所述六水合硝酸镍后的超声分散的超声时间为20~30min,例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
90、在一些可选的实例中,所述金属盐溶液中的六水合硝酸钴和六水合硝酸镍的总质量和所述包覆改性聚苯乙烯微球的质量之比为(2~3):1,例如可以是2.0:1、2.1:1、2.2:1、2.3:1、2.4:1、2.5:1、2.6:1、2.7:1、2.8:1、2.9:1或3.0:1,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
91、在一些可选的实例中,所述2-甲基咪唑与甲醇的质量比为1:(20~30),例如可以是1:20、1:21、1:22、1:23、1:24、1:25、1:26、1:27、1:28、1:29或1:30,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
92、在一些可选的实例中,所述前驱体溶液中的六水合硝酸钴和六水合硝酸镍的总质量与所述有机配体溶液中的2-甲基咪唑的质量之比为1:(1.5~2),例如可以是1:1.5、1:1.55、1:1.6、1:1.65、1:1.7、1:1.75、1:1.8、1:1.85、1:1.9、1:1.95或1:2,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
93、在一些可选的实例中,所述碳球前体溶液的水热反应的温度为160~170℃,例如可以是160℃、161℃、162℃、163℃、164℃、165℃、166℃、167℃、168℃、169℃或170℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
94、本发明特别限定了碳球前体溶液的水热反应的温度为160~170℃,当水热反应温度超过170℃时,制备得到的ni/co-mof材料的纳米片开始断裂并碎片化,产生的碎片出现团聚,这将导致电解质离子与活性物质的接触面积减小,还会堵塞电解质离子的传输通道,不利于多孔碳材料电化学性能的提高。
95、在一些可选的实例中,所述碳球前体溶液的水热反应的时间为12~24h,例如可以是12h、13h、14h、15h、16h、17h、18h、19h、20h、21h、22h、23h或24h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
96、在一些可选的实例中,所述离心分离的转速为5000~6000r/min,例如可以是5000r/min、5100r/min、5200r/min、5300r/min、5400r/min、5500r/min、5600r/min、5700r/min、5800r/min、5900r/min或6000r/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
97、在一些可选的实例中,所述离心分离的时间为3~5min,例如可以是3.0min、3.2min、3.4min、3.6min、3.8min、4.0min、4.2min、4.4min、4.6min、4.8min或5.0min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
98、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅴ)中,所述空心碳球前驱体与所述次磷酸钠的质量比为1:(20~30),例如可以是1:20、1:21、1:22、1:23、1:24、1:25、1:26、1:27、1:28、1:29或1:30,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
99、在一些可选的实例中,所述第一瓷舟和所述第二瓷舟的距离为10~20cm,例如可以是10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm、16cm、17cm、18cm、19cm或20cm,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
100、在一些可选的实例中,所述混合气体中氢气和氮气的体积比为(1~2):(8~9),例如可以是1:9、1.1:8.9、1.2:8.8、1.3:8.7、1.4:8.6、1.5:8.5、1.6:8.4、1.7:8.3、1.8:8.2、1.9:8.1或2:8,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
101、在一些可选的实例中,所述混合气体的通入流量为90~100ml/min,例如可以是90ml/min、91ml/min、92ml/min、93ml/min、94ml/min、95ml/min、96ml/min、97ml/min、98ml/min、99ml/min或100ml/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
102、在一些可选的实例中,所述管式炉内的压力为2~3mpa,例如可以是2.0mpa、2.1mpa、2.2mpa、2.3mpa、2.4mpa、2.5mpa、2.6mpa、2.7mpa、2.8mpa、2.9mpa或3.0mpa,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
103、在一些可选的实例中,所述磷化反应的升温速率为4~5℃/min,例如可以是4.0℃/min、4.1℃/min、4.2℃/min、4.3℃/min、4.4℃/min、4.5℃/min、4.6℃/min、4.7℃/min、4.8℃/min、4.9℃/min或5.0℃/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
104、在一些可选的实例中,所述磷化反应的加热温度为300~400℃,例如可以是300℃、310℃、320℃、330℃、340℃、350℃、360℃、370℃、380℃、390℃或400℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
105、在一些可选的实例中,所述磷化反应的保温时间为70~80min,例如可以是70min、71min、72min、73min、74min、75min、76min、77min、78min、79min或80min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
106、在一些可选的实例中,所述第一升温速率为3~4℃/min,例如可以是3.0℃/min、3.1℃/min、3.2℃/min、3.3℃/min、3.4℃/min、3.5℃/min、3.6℃/min、3.7℃/min、3.8℃/min、3.9℃/min或4.0℃/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
107、在一些可选的实例中,所述第一温度为400~500℃,例如可以是400℃、410℃、420℃、430℃、440℃、450℃、460℃、470℃、480℃、490℃或500℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
108、在一些可选的实例中,在所述第一温度下保温1~2h,例如可以是1.0h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
109、在一些可选的实例中,所述第二升温速率为5~6℃/min,例如可以是5.0℃/min、5.1℃/min、5.2℃/min、5.3℃/min、5.4℃/min、5.5℃/min、5.6℃/min、5.7℃/min、5.8℃/min、5.9℃/min或6.0℃/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
110、在一些可选的实例中,所述第二温度为700~800℃,例如可以是700℃、710℃、720℃、730℃、740℃、750℃、760℃、770℃、780℃、790℃或800℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
111、在一些可选的实例中,在所述第二温度下保温2~3h,例如可以是2.0h、2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h、2.9h或3.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
112、作为本发明一种优选的技术方案,步骤(ⅵ)中,所述空心碳球复合材料与无水乙醇的比例为1g:(100~200)ml,例如可以是1g:100ml、1g:110ml、1g:120ml、1g:130ml、1g:140ml、1g:150ml、1g:160ml、1g:170ml、1g:180ml、1g:190ml或1g:200ml,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
113、在一些可选的实例中,所述钼酸铵、所述硫脲和所述无水乙醇的比例为1g:(2~3)g:(80~90)ml,例如可以是1g:2g:80ml、1g:2.1g:81ml、1g:2.2g:82ml、1g:2.3g:83ml、1g:2.4g:84ml、1g:2.5g:85ml、1g:2.6g:86ml、1g:2.7g:87ml、1g:2.8g:88ml、1g:2.9g:89ml或1g:3g:90ml,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
114、在一些可选的实例中,所述碳球分散液中的所述空心碳球复合材料与所述mos2前体溶液中的钼酸铵的质量比为1:(1.5~2.5),例如可以是1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2.0、1:2.1、1:2.2、1:2.3、1:2.4或1:2.5,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
115、本发明特别限定了碳球分散液中的空心碳球复合材料与mos2前体溶液中的钼酸铵的质量比为1:(1.5~2.5),当反应体系中的钼酸铵的浓度低于本发明限定的范围下限时,最终得到的二硫化钼产物是小尺寸的实心纳米球,在实心纳米球的表面并未形成片层结构,这是由于,反应体系中钼酸铵的浓度过低,在反应初期生成了纳米球核心,但钼酸铵用量不足,无法在纳米球核心表面继续生长出花瓣状的团簇形貌。因此,最终得到的二硫化钼是小尺寸的实心纳米球,同时形状也不规整。当反应体系中的钼酸铵的浓度超过本发明限定的范围上限时,最终得到的二硫化钼产物是大尺寸的块状结构,这是由于,反应体系中的钼酸铵的浓度过高,导致二硫化钼纳米片的生长空间不足而相互粘结,最终形成了具有不规则形貌的块状颗粒。
116、在一些可选的实例中,所述碳球分散液与所述mos2前体溶液混合后的超声分散的超声功率为200~300w,例如可以是200w、210w、220w、230w、240w、250w、260w、270w、280w、290w或300w,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
117、在一些可选的实例中,所述碳球分散液与所述mos2前体溶液混合后的超声分散的超声时间为30~40min,例如可以是30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min或40min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
118、在一些可选的实例中,所述第三升温速率为2~3℃/min,例如可以是2.0℃/min、2.1℃/min、2.2℃/min、2.3℃/min、2.4℃/min、2.5℃/min、2.6℃/min、2.7℃/min、2.8℃/min、2.9℃/min或3.0℃/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
119、在一些可选的实例中,所述第三温度为100~120℃,例如可以是100℃、102℃、104℃、106℃、108℃、110℃、112℃、114℃、116℃、118℃或120℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
120、在一些可选的实例中,在所述第三温度下保温4~5h,例如可以是4.0h、4.1h、4.2h、4.3h、4.4h、4.5h、4.6h、4.7h、4.8h、4.9h或5.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
121、在一些可选的实例中,所述第四升温速率为1~2℃/min,例如可以是1.0℃/min、1.1℃/min、1.2℃/min、1.3℃/min、1.4℃/min、1.5℃/min、1.6℃/min、1.7℃/min、1.8℃/min、1.9℃/min或2.0℃/min,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
122、在一些可选的实例中,所述第四温度为180~200℃,例如可以是180℃、182℃、184℃、186℃、188℃、190℃、192℃、194℃、196℃、198℃或200℃,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
123、反应温度为mos2晶体的生长提供了动力,是影响反应和晶体生长速率的关键因素,为了获得理想形貌的二硫化钼纳米片,本发明特别限定了第四温度为180~200℃。当第四温度低于180℃时,最终得到的二硫化钼产物是尺寸分布不均且形状不规则的类球型颗粒物,这是由于,反应温度过低导致反应速率缓慢,不利于晶核在(002)晶面方向上的生长,因此无法形成片层结构。当第四温度在180~200℃范围内时,得到的二硫化钼产物为具有花瓣状片层结构的团簇小球,团簇小球的尺寸均一且形状规则,这表明,该温度范围有利于二硫化钼晶面的选择性生长。当第四温度继续升高至200℃以上时,二硫化钼团簇球的直径降低,纳米片的数量减少且分布稀疏,这是由于水热温度过高导致水热反应釜内形成高压环境,在短时间内快速生成大量的晶核,导致晶粒尺寸下降,同时,由于体系中没有更多的反应物来促使二硫化钼继续生长,因此花瓣状的片层结构变得稀疏。
124、在一些可选的实例中,在所述第四温度下保温6~8h,例如可以是6.0h、6.2h、6.4h、6.6h、6.8h、7.0h、7.2h、7.4h、7.6h、7.8h或8.0h,但并不仅限于所列举的数值,该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
125、第二方面,本发明提供了一种采用第一方面所述的制备方法制备得到的高导电多孔碳材料。
126、第三方面,本发明提供了一种第二方面所述的高导电多孔碳材料在储能设备中的应用,所述储能设备包括超级电容器。
127、与现有技术相比,本发明的有益效果为:
128、本发明提供的制备方法以磺化聚苯乙烯微球作为模板牺牲材料,在磺化聚苯乙烯微球表面通过原位氧化自聚合形成聚多巴胺层;随后,以钴和镍为金属中心,以2-甲基咪唑为有机配体,以改性碳纳米管为导电填料,通过水热合成法合成了由改性碳纳米管和ni/co-mof材料组成的复合多孔材料,并使得复合多孔材料负载于聚多巴胺层表面,在高温碳化过程中,聚多巴胺层形成了具有微孔的球形结构碳壳骨架,其内部的聚苯乙烯微球则在高温下分解成了二氧化碳和水蒸气,聚多巴胺层表面负载的复合多孔材料则形成了具有片层堆叠的多孔道碳结构。最后,将碳化后得到的空心碳球复合材料与mos2前体溶液混合,经水热反应在空心碳球复合材料表面原位合成二硫化钼纳米片,最终制备得到了具有优异电化学性能的高导电多孔碳材料。
1.一种高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括:
2.根据权利要求1所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,所述制备方法具体包括如下步骤:
3.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅰ)中,所述微球种子的粒径为2~3μm;
4.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅱ)中,所述聚苯乙烯微球与所述乙醇水溶液的质量比为1:(20~30);
5.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅲ)中,所述浓硫酸的摩尔浓度为17~18mol/l;
6.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅳ)中,所述碳纳米管悬浮液中的改性碳纳米管的质量分数为20~30wt%;
7.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅴ)中,所述空心碳球前驱体与所述次磷酸钠的质量比为1:(20~30);
8.根据权利要求2所述的高导电多孔碳材料的制备方法,其特征在于,步骤(ⅵ)中,所述空心碳球复合材料与无水乙醇的比例为1g:(100~200)ml;
9.一种采用权利要求1至8任一项所述的高导电多孔碳材料的制备方法制备得到的高导电多孔碳材料。
10.一种权利要求9所述的高导电多孔碳材料在储能设备中的应用,其特征在于,所述储能设备包括超级电容器。
