一种介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球及其制备方法及其应用

本发明涉及钠离子电池电极材料，具体涉及一种粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球及其制备方法与应用。

背景技术：

1、钠离子电池具有钠资源丰富和价格低廉的特点，在大规模储能和智能电网等应用领域中展现出极具前景的应用潜力。然而其能量密度、长循环稳定性、以及大电流下的倍率性能，仍然是其商业化发展中的短板，需要进一步优化。

2、负极材料对电池的能量密度和稳定性起着至关重要的作用。最理想的负极材料应具有高理论容量、高首周库伦效率、良好的倍率性能以及循环稳定性等特点。硬碳负极材料由于其可调的形貌结构，广泛的前驱体来源以及多样化的生产制备方式自钠电研发之初，就受到了大量关注。在实际储钠过程中，钠离子由于其较大的离子半径会阻碍其在碳材料体相中的扩散，造成负极材料的体积膨胀，展现较差的倍率性能和循环稳定性。

3、介孔碳材料由于其较大的比表面积和介孔通道，能够获得丰富的表面钠存储位点，有效促进电化学过程中的物质传输，实现快速的离子传输，因此被广泛用于获得高倍率性能的钠离子电池负极。但如何调控介孔纳米结构的物理化学性质，比如孔径大小等，以研究不同粒径的介孔碳材料在储钠性能上的差异仍然是非常困难的。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种倍率性能高和循环稳定性好的尺寸和结构可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球及其制备方法与应用。

2、本发明提供的粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球，具有球形的介孔碳骨架，颗粒粒径为40-560nm，呈现从单胶束到多胶束的组装形态。

3、本发明提供的粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球的制备方法，是以多巴胺为前驱体，f127为表面活性剂，在纳米乳液体系中经由氨水催化组装形成介孔聚合物，再经高温锻烧得到介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球；具体步骤为：

4、(1)采用纳米乳液法合成介孔聚合物复合材料：将表面活性剂、多巴胺前驱体和扩孔剂加入到有机溶剂/水的混合溶液中，形成白色的纳米乳液体系，搅拌后加入催化剂，进行反应；经由离心洗涤得到介孔聚多巴纳米球；其中，通过控制反应温度(10、20、30、40、50、60℃)，调控表面活性剂加入量(5，10，20，40mg ml-1)以及氧气含量(110、165、220mg ml-1、空气饱和)等实验参数，实现了尺寸为40、50、60、75、100、140、180、220、360、440、500、560nm的聚多巴胺小球的可控制备；

5、(2)介孔聚多巴胺纳米球在惰性气氛中煅烧，煅烧过程为以1-5℃/min的升温速率升温到700-1200℃，恒温2-5h，得到介孔聚多巴纳米球衍生的介孔碳球。

6、优选地，步骤(1)中所述表面活性剂为非离子型表面活性剂。

7、进一步优选地，所述表面活性剂为聚环氧乙烷-聚环氧丙烷、聚环氧乙烷-聚环氧丁烷、聚环氧丙烷-聚环氧乙烷-聚环氧丙烷三嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷三嵌段共聚物、聚环氧乙烷-聚苯乙烯或聚环氧乙烷-聚甲基丙烯酸甲酯二嵌段共聚物中的一种或几种。

8、优选地，步骤(1)中所述前驱体为盐酸多巴胺、吡咯、酚醛树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、聚酰亚胺、尿胺树脂、糠醛树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡啶、聚丙烯腈中的一种或几种。

9、优选地，步骤(1)中所述催化剂为氨水、氨水、氢氧化钠、氢氧化钾、甲胺、乙胺、二甲胺、二乙胺、或三乙胺中的一种或几种。

10、优选地，步骤(1)中所述扩孔剂采用疏水性扩孔剂，选自均三甲苯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚甲基丙烯酸叔丁酯中的一种或几种。

11、优选地，步骤(1)中所述有机溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、苯、甲苯、四氢呋喃、乙醚、氯仿或二氯甲烷中的一种或几种。

12、优选地，步骤(2)中所述的惰性气氛为氮气或氩气。

13、本发明提供的尺寸和结构可调的介孔聚多巴胺纳米球可用于制备钠离子电池。具体地，将介孔聚多巴胺纳米球作为钠离子电池负极。

14、本发明复合电极材料同时具有球状的介孔结构和可控的胶束组装过程，合成方法工艺简单、合成条件温和，可控性强，作为钠离子电池负极，同时具有高首周库伦效率、高容量、优异倍率性能和循环稳定性等优点，展现出广阔的市场应用前景。

15、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

16、(1)本发明首次通过控制反应温度(10、20、30、40、50、60℃)，调控表面活性剂加入量(5，10，20，40mg ml-1)以及氧气含量(110、165、220mg ml-1、空气饱和)等实验参数，实现了尺寸为40、50、60、75、100、140、180、220、360、440、500、560nm的聚多巴胺小球的可控制备；

17、(2)本发明通过对形貌调控的设计，从而获得高首周库伦效率、高容量、优异倍率特性和循环稳定性的介孔碳材料；

18、(3)本发明得到的介孔碳材料结构体相中的介孔骨架能够有效缩短离子传输路径，提升离子传输速率，暴露了更多的储钠位点，增强表面的赝电容储钠行为，促进了电化学储钠过程中材料表面对钠离子的吸/脱附过程，从而表现出优异的储钠动力学；

19、(4)本发明得到的介孔碳材料具有高首周库伦效率、高容量、优异的倍率性能以及循环稳定性，包含该材料的可充放钠离子电池具有高能量密度和功率密度的优势，展现出广阔的市场应用前景；

20、(5)本发明中的制备方法制备工艺简单、合成条件温和，可控性强，具备大规模生产的潜力。

技术特征：

1.一种粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球球衍生碳球，其特征在于，具有球形的介孔骨架，颗粒粒径范围为40-560nm，呈现从单胶束到多胶束的组装形态。

2.一种如权利要求1所述的粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球球衍生碳球的制备方法，其特征在于，是以多巴胺为前驱体，f127为表面活性剂，在纳米乳液体系中经由氨水催化组装形成介孔聚合物；具体步骤为：

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中前驱体为盐酸多巴胺、吡咯、酚醛树脂、脲醛树脂、嘧胺树脂、聚酰亚胺、尿胺树脂、糠醛树脂、聚丙烯酰胺、聚乙烯基吡啶、聚丙烯腈中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中：

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的惰性气氛为氮气或氩气。

6.如权利要求1所述的粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球在制备钠离子电池中应用，是将这些介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球作为钠离子电池负极。

技术总结本发明涉及钠离子电池电极材料技术领域，具体为一种粒径可调的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球及其制备方法和应用。本发明的介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球具有球形介孔骨架，颗粒粒径范围为40‑560nm，呈现从单胶束到多胶束的组装形态；是以多巴胺为前驱体，F127为表面活性剂，在纳米乳液体系中经由氨水催化组装形成介孔聚合物，再经高温煅烧制备得到；本发明制备工艺简单、合成条件温和，可控性强，所得材料的粒径、比表面积和介观结构均可调；该介孔聚多巴胺纳米球衍生碳球用于制备可充放钠离子电池，具有高能量密度和功率密度的优势，展现出广阔的市场应用前景。技术研发人员：李伟,刘依,万延华,童元柏,刘玉普,赵东元受保护的技术使用者：复旦大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18