一種中空碳球的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種中空碳球的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】。以含氧有機(jī)物為碳源，與碳化劑，表面活性劑一同裝入反應(yīng)器中，攪拌使其混合均勻形成反相微乳后，加熱到70-200℃，使其發(fā)生反應(yīng)，時間為24-96h，停止加熱，經(jīng)過濾、洗滌、干燥，得到成品。本發(fā)明方法具有粉體純度高、能耗低、單分散性好，溶解性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，易實(shí)現(xiàn)可控制備和大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種中空碳球的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備納米中空碳球的技術(shù)，屬于無機(jī)非金屬材料制備方法【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]中空碳球作為一種特殊的碳材料，具有高的化學(xué)穩(wěn)定性、較低的密度、良好的高溫耐熱性能以及生物相容性，可用于催化劑載體、電極材料、超級電容器、儲氫材料、藥物傳輸器和制備其他中空材料的模板等，主要應(yīng)用于材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、制藥學(xué)及涂料工業(yè)等領(lǐng)域。
[0003]目前制備中空碳球的方法主要包括:有機(jī)物高溫?zé)峤夥?、氣相沉積法、激光蒸餾法、電弧放電法、模板法等。
[0004]仙1 [等(/}耶冊.泛6低III七8(1.2011，50，6799-6802)以多巴胺為碳源，以二氧化硅球?yàn)槟０澹捎媚０宸ㄖ苽淞肆皆?0011111左右的中空碳球，壁厚在111111左右。
0 等(了.迪#.0 2011，115，17717-17724)以乙烯為碳源，通過氣相沉積法在介孔二氧化硅球表面生長一層介孔碳層，除去二氧化硅后得到介孔中空碳球。807^18[等2007，45(3), 668-670)以二茂鐵和氯化銨為原料，在氣壓爐中2腿^的氬氣氣氛下于7001^反應(yīng)0.511合成了直徑分布在1-10 111的中空碳球。
[0005]中國專利⑶1012248834公開了以無水乙醇為碳源、以金屬鋅作還原劑及金屬溶齊0，通過水熱法制備了公稱直徑在400=0左右的中空碳球，該法反應(yīng)時間短，粉體純度高，但所需溫度較高，且需要在高壓下反應(yīng)，成本較高。
[0006]綜上所述，現(xiàn)有的制備方法主要有如下幾點(diǎn)不足:一、合成工藝步驟復(fù)雜，條件苛亥|1，成本高；二、現(xiàn)有技術(shù)合成的中空碳球的單分散性不好，碳球的尺寸不可控，限制了中空碳球作為藥物載體在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。三、合成出來的中空碳球純度不高，模板不易脫除，并且在脫除模板時易造成中空碳球的塌陷和破碎。基于以上幾點(diǎn)，需要一種易于操作，步驟簡單，成本低的制備工藝用以發(fā)揮中空碳球的性能優(yōu)勢并實(shí)現(xiàn)中空碳球的可控制備和大規(guī)模生產(chǎn)。
[0007]
【發(fā)明內(nèi)容】
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為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種以含氧有機(jī)物為碳源，通過反向微乳、共沸精餾法制備中空碳球的通用技術(shù)。該技術(shù)關(guān)鍵在于先將碳源和水、有機(jī)溶劑以及表面活性劑，碳化劑混合形成均一的反向微乳液，然后升高溫度，使得水和有機(jī)物形成共沸物蒸出并回流，在不斷回流時，緩慢分出共沸物中的水，并保持一定的溫度，使得碳源在碳化劑作用下于水相和有機(jī)溶劑相界面處碳化，經(jīng)過濾、洗滌、干燥后得到中空碳球產(chǎn)品。通過改變表面活性劑與水的比例，碳源的加入量，共沸精餾的時間，可以精確控制所制備的中空碳球的壁厚和粒徑。具體情況將結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步說明。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
一種制備中空碳球的方法，按照下述步驟進(jìn)行:
(八)將含氧有機(jī)物碳源、碳化劑、水、有機(jī)溶劑、表面活性劑混合并攪拌形成穩(wěn)定反相微乳。
[0009](B)升高體系溫度，共沸精餾并保持24_96h，逐步移出反應(yīng)體系中的水，之后恒溫直至反應(yīng)結(jié)束。
[0010](C)將步驟(B)中反應(yīng)結(jié)束后得到的液體，經(jīng)過濾、洗滌、干燥即可得到中空碳球產(chǎn)品O
[0011]步驟(A)中所述的含氧有機(jī)碳源包括但不限于葡萄糖、蔗糖、果糖等一元糖、二元糖類以及淀粉。
[0012]步驟(A)中所述的碳化劑為硫酸銨、濃度不高于7moL/L的稀硫酸、鹽酸或以上幾者的混合物。
[0013]步驟(A)中所述的有機(jī)溶劑為苯、甲苯、氯仿、四氫呋喃、環(huán)己烷、石油醚等可以和水形成共沸物的有機(jī)物。
[0014]步驟(A)中所述的表面活性劑包括但不限于十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、2_乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉(AOT )、十二烷基苯磺酸鈉(SDS )、正辛胺等
步驟(A)中所述的攪拌的溫度在25-70°C，攪拌的時間為l_5h。
[0015]步驟(A)中所述的含氧有機(jī)物碳源與碳化劑的質(zhì)量比為0.01-50:1 g/g，含氧有機(jī)物碳源與水的質(zhì)量比為0.1-50:1 g/g，水與表面活性劑的比1-100 g/g，有機(jī)溶劑與表面活性劑的體積質(zhì)量比為10-1000:1 ml/g。
[0016]步驟(B)中所述的反應(yīng)體系的溫度設(shè)定為70_200°C，共沸精餾的時間為24_96h。
[0017]所述的中空碳球粒徑為20ηηι-5μηι,壁厚為2_500nm。
[0018]本方法所述的制備中空碳球的方法的主要技術(shù)優(yōu)勢體現(xiàn)在:1、以葡萄糖等為碳源，原料成本低。2、采用反向微乳、共沸精餾的方法制備出的中空碳球粒徑可控，碳球壁厚可控，分散性良好。3、碳球在制備過程中不易破碎和塌陷，收率較高。
[0019]【專利附圖】

【附圖說明】:
圖1為實(shí)施例1制得的中空碳球的TEM圖；
圖2為實(shí)施例3制得的中空碳球的TEM圖。
[0020]【具體實(shí)施方式】實(shí)施例1:
稱取0.15g葡萄糖、2g硫酸銨，并量取1mL水加入三口燒瓶中，待葡萄糖與硫酸銨溶解后，加入IgCTAB與70mL苯，在6 (TC下攪拌2h，然后將溫度升至90°C，并保持96h，期間每隔Ih分去ImL水，共分5次，然后停止加熱，冷卻，過濾，干燥，并用溶劑(異丙醇:水=1:1(體積比))反復(fù)洗滌3次，烘干后得到什么樣中空碳球產(chǎn)品，粒徑在200nm左右，壁厚20nm。實(shí)施例1制得的中空碳球的TEM圖如圖1所示。
[0021]實(shí)施例2:
稱取0.15g葡萄糖、3g硫酸銨，并量取15mL水加入三口燒瓶中，待葡萄糖與硫酸銨溶解后，再加入IgCTAB與70mL苯，在60°C下攪拌2h，然后將溫度升至90°C，并保持96h，期間每隔Ih分去ImL水，共分5次，然后停止加熱，冷卻，過濾，干燥，并用溶劑(異丙醇:水=1: I(體積比))反復(fù)洗滌3次，烘干后得到什么樣中空碳球產(chǎn)品，粒徑在250nm左右，壁厚15nm。
[0022]實(shí)施例3:
稱取0.2g葡萄糖、4g硫酸銨，并量取5mL水加入三口燒瓶中，待葡萄糖與硫酸銨溶解后，再加入2gCTAB與10mL苯，在65°C下攪拌2h，然后將溫度升至90°C，并保持96h，期間每隔4h分去ImL水，共分5次，然后停止加熱，冷卻，過濾，并用溶劑(異丙醇:水=1: 1(體積比))反復(fù)洗滌3次，粒徑在20nm左右，壁厚2nm。實(shí)施例3制得的中空碳球的TEM圖如圖2所示。
[0023]實(shí)施例4:
稱取0.2g葡萄糖加入三口燒瓶中，然后加入8mL濃度為5moL/L稀硫酸，待葡萄糖溶解后，再加入IgCTAB與10mL苯，在65°C下攪拌2h，然后將溫度升至90°C，并保持48h，期間每隔4h分去ImL水，共分5次，然后停止加熱，冷卻，過濾，并用溶劑(異丙醇:水=1: 1(體積比))反復(fù)洗滌3次，烘干后得到什么樣中空碳球產(chǎn)品，粒徑在300nm左右，壁厚20nm。
[0024]實(shí)施例5:
稱取0.2g葡萄糖加入三口燒瓶中，然后加入1mL濃度為7moL/L稀硫酸，待葡萄糖溶解后，再加入IgCTAB與10mL苯，在65°C下攪拌3h，然后將溫度升至90°C，并保持68h，期間每隔4h分去ImL水，共分5次，然后停止加熱，冷卻，過濾，并用溶劑(異丙醇:水=1: 1(體積比))反復(fù)洗滌3次，烘干后得到什么樣中空碳球產(chǎn)品，粒徑在350nm左右，壁厚25nm。
【權(quán)利要求】
1.一種制備中空碳球的方法，其特征在于按照下述步驟進(jìn)行: (A)將含氧有機(jī)物碳源、碳化劑、水、有機(jī)溶劑、表面活性劑混合并攪拌形成穩(wěn)定反相微乳； (B)升高體系溫度，共沸精餾并保持24-96h，逐步移出反應(yīng)體系中的水，之后恒溫直至反應(yīng)結(jié)束； (C)將步驟(B)中反應(yīng)結(jié)束后得到的液體，經(jīng)過濾、洗滌、干燥即可得到中空碳球產(chǎn)品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的含氧有機(jī)碳源包括但不限于葡萄糖、蔗糖、果糖等一元糖、二元糖類以及淀粉。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的碳化劑為硫酸銨、濃度不高于7moL/L的稀硫酸、鹽酸或以上幾者的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的有機(jī)溶劑為苯、甲苯、氯仿、四氫呋喃、環(huán)己烷、石油醚等可以和水形成共沸物的有機(jī)物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的表面活性劑包括但不限于十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、2-乙基己基琥珀酸酯磺酸鈉(AOT )、十二烷基苯磺酸鈉(SDS )、正辛胺等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的攪拌的溫度在25-70°C，攪拌的時間為l_5h。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(A)中所述的含氧有機(jī)物碳源與碳化劑的質(zhì)量比為0.01-50:1 g/g，含氧有機(jī)物碳源與水的質(zhì)量比為0.1-50:1 g/g，水與表面活性劑的比1-100 g/g，有機(jī)溶劑與表面活性劑的體積質(zhì)量比為10-1000:1 ml/g。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種制備中空碳球的方法，其特征在于步驟(B)中所述的反應(yīng)體系的溫度設(shè)定為70-200°C，共沸精餾的時間為24-96h。
【文檔編號】C01B31/02GK104310368SQ201410390341
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年8月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月11日
【發(fā)明者】姜興茂, 閔建中, 李亞情, 梁帥, 蔡云亮, 付鑫, 陳震 申請人:常州大學(xué)