非模板法制備空心納米碳球的方法及空心納米碳球的應用
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于材料技術領域，涉及一種空心納米碳球的制備方法、空心納米碳球及其應用。
【背景技術】
[0002]眾所周知，煤、石油和天然氣等化石能源屬于不可再生能源，它們的儲量是相當有限的。隨著經濟的快速發(fā)展，能源的消耗在逐年增加，化石能源的消耗也在相應地不斷增加。由于化石能源的不可再生性，一旦其面臨枯竭，對人類的發(fā)展將產生很大的影響。另外，更糟糕的是，在化石能源的使用過程中，會產生對環(huán)境造成影響的有害物質，不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，因此急需找到一種替代能源。
[0003]在眾多的能源中，雖然電能作為一種清潔能源改變了整個人類的發(fā)展方向與生活方式，但是就目前的技術而言電能的存儲卻是一個非常大的挑戰(zhàn)。超級電容器是一種潛在的具有非常強的儲能能力的設備，它可以在短時間內完成充放電，不僅能大容量地存儲電能，并且能夠多次循環(huán)使用，是一種環(huán)境友好的儲能設備，但是其性能主要依賴于電極材料的性能。
[0004]當前電極材料的種類有很多，如碳納米管、石墨烯、納米碳球等。因為碳納米管與石墨烯的制備成本非常高，大規(guī)模生產受到了限制，而空心納米碳球的制造成本較低，并且其性能與碳納米管和石墨烯相比并沒有顯著的下降，因此具有較好的應用前景。
[0005]目前空心納米碳球的制備方法采用模板法，如硬模板法與軟模板法，但是該方法的步驟繁瑣，制備周期長，并且會對環(huán)境產生不利的影響。

【發(fā)明內容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明的主要目的在于提供一種空心納米碳球的制備方法，該制備方法在制備空心納米碳球的過程中無需模板，制備周期短并且環(huán)境友好。
[0007]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種由上述方法制備而成的空心納米碳球。
[0008]本發(fā)明的第三個目的在于提供上述空心納米碳球的應用。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
[0010]一種非模板法制備空心納米碳球的方法，其包括如下步驟:以聚合物囊泡作為前驅體，在惰性氣體的保護下進行煅燒，得到空心納米碳球；上述的聚合物囊泡由聚合物P (PMDA - alt - 0DA)自組裝而成。
[0011]其中，上述的聚合物囊泡的制備方法包括如下步驟:將聚合物P(PMDA - alt - ODA)以1.0?10.0mg/mL的濃度溶于二甲基甲酰胺中，在攪拌下逐滴滴加去離子水，在去離子水中透析后得到聚合物囊泡溶液，凍干后得到聚合物囊泡。
[0012]在上述的聚合物囊泡的制備方法中，所加入的去離子水的體積可以為二甲基甲酰胺體積的2?4倍。
[0013]在上述的空心納米碳球的制備方法中，惰性氣體可以為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或幾種；煅燒的溫度可以為600?1000°C ;聚合物P (PMDA - alt - ODA)的分子量可以為5000?100000 ;聚合物囊泡的粒徑范圍可以為100?800nm。
[0014]—種空心納米碳球，其由上述的方法制成，該空心納米碳球的粒徑為110?820nm。
[0015]上述的空心納米碳球可以作為導電材料、儲電材料或者電容器的電極材料而得以應用。
[0016]其中，上述的電容器可以優(yōu)選為超級電容器。
[0017]由于采用上述方案，本發(fā)明的有益效果是:
[0018]第一、本發(fā)明的空心納米碳球以聚合物囊泡作為前驅體，在惰性氣體的保護下進行煅燒而得，聚合物囊泡由聚合物P(PMDA -alt -0DA)自組裝而成；該聚合物P(PMDA -alt -0DA)為兩親性聚合物，親水性的鏈段構成聚合物囊泡的外殼和內殼，疏水性的鏈段構成聚合物囊泡的雙層膜結構，因此具有穩(wěn)定的結構。
[0019]第二、因為聚合物P(PMDA - alt -0DA)的骨架中含有大量的苯環(huán)，因此煅燒后的空心納米碳球具有類石墨的有序結構(內部碳原子按照類石墨的結構排列)，并且碳化率很高(達到了 50% )，使得空心納米碳球具有非常好的導電能力與很強的儲能能力，能夠作為超級電容器的活性電極材料使用。
[0020]第三、傳統(tǒng)的空心納米碳球的制備方法都需要用到模板，并且要在空心納米碳球制備完成后將模板除去，而本發(fā)明的空心納米碳球是直接由聚合物囊泡煅燒碳化而成，故在制備的過程中無需使用模板，并且在煅燒后無需進行后處理即可得到終產物，因此制備過程簡單、制備周期短、不會產生對環(huán)境有害的物質，能夠有效避免二次污染的產生。
[0021]第四、本發(fā)明的空心納米碳球的制備方法通過調節(jié)聚合物P(PMDA - alt - 0DA)的分子量與初始濃度精確控制聚合物囊泡的尺寸，并通過控制聚合物囊泡的尺寸來進一步精確控制空心納米碳球的粒徑大小，最終能夠得到粒徑均一的空心納米碳球，所得的空心納米碳的粒徑能夠涵蓋不同的粒徑范圍，從而適應不同情況的需要。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例一中的空心納米碳球的掃描電子顯微鏡(SEM)圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實施例一中的空心納米碳球的X射線光電子能譜圖。
[0024]圖3為本發(fā)明實施例一中的空心納米碳球的電性能圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明提供了一種非模板法制備空心納米碳球的方法、由該方法得到的空心納米碳球以及該空心納米碳球的應用。
[0026]<非模板法制備空心納米碳球的方法>
[0027]本發(fā)明的空心納米碳球的制備方法包括如下步驟:以聚合物囊泡作為前驅體，在惰性氣體的保護下進行煅燒，得到空心納米碳球。
[0028]其中，聚合物囊泡由聚合物P (PMDA - alt - 0DA)自組裝而成。該聚合物P(PMDA -alt - 0DA)是4，4’ - 二氨基二苯醚(ODA)和1，2，4，5 -均苯四甲酸二酐(PMDA)的交替共聚物，含有大量的苯環(huán)，其分子量為5000?100000。
[0029]聚合物囊泡的制備方法為:將聚合物P (PMDA -alt -0DA)以1.0?10.0mg/mL的濃度溶于二甲基甲酰胺(DMF)中，在劇烈的攪拌下逐滴滴加去離子水，在去離子水中透析后得到聚合物囊泡溶液，凍干后得到聚合物囊泡。該聚合物囊泡的粒徑范圍為100?800nm。在該方法中，采用“逐滴加入”能夠使得組裝過程更加穩(wěn)定、可控，形成的組裝體更加均一。
[0030]在上述的聚合物囊泡的制備方法中，去離子水的體積可以為二甲基甲酰胺體積的2?4倍，優(yōu)選為2倍。
[0031]在上述的空心納米碳球的制備方法中，惰性氣體可以為氮氣、氬氣和氦氣中的一種或幾種。煅燒的溫度可以為600?1000°C。
[0032]<空心納米碳球>
[0033]由上述的制備方法所得的空心納米碳球具有類石墨結構，碳化率高，原子利用率也較高(可達50%以上)，其粒徑范圍為110?820nm。
[0034]<空心納米碳球的應用>
[0035]1.本發(fā)明的空心納米碳球可以用作導電材料。
[0036]本發(fā)明的空心納米碳球是以聚合物囊泡作為前驅體，在惰性氣體的保護下進行煅燒而得。聚合物囊泡由4，4’ - 二氨基二苯醚(ODA)和1，2，4，5 -均苯四甲酸二酐(PMDA)的交替共聚物P(PMDA-alt-0DA)自組裝而成。因為聚合物P (PMDA - alt - ODA)的骨架中含有大量的苯環(huán)，煅燒后所形成的空心納米碳球具有類石墨的有序結構，并且碳化率很高(達到了 50% )，具有良好的導電性，因此可以用作導電材料。
[0037]2.本發(fā)明的空心納米碳球可以用作儲電材料。
[0038]3.本發(fā)明的空心納米碳球可以用作電容器的活性電極材料。
[0039]其中，電容器可以為超級電容器。
[0040]以下結合附圖所示實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
[0041]實施例一
[0042]本實施