一種制備瀝青基中空碳球的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種以瀝青為碳源制備中空碳球的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中空碳球作為新型碳納米材料中的一員，因其具有獨特的殼結(jié)構(gòu)、優(yōu)秀的導(dǎo)電性、良好的熱穩(wěn)定性、密度小、空腔體積大等優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于鋰離子電池、燃料電池、吸附、催化載體、生物等領(lǐng)域。通?？梢酝ㄟ^硬模板法和軟模板法制備中空碳球，模板法主要是將碳源包覆在模板的表面后進(jìn)行高溫碳化，再將模板去除即可得到中空碳球。然而目前所制備中空碳球的工藝比較復(fù)雜，主要以葡萄糖、酚醛樹脂、多巴胺等比較昂貴的試劑為碳源，嚴(yán)重的阻礙了中空碳球的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用。
[0003]Yang SB等人報道了(Adv.Mater.2010，22，838-842)—種中空碳球的制備方法，并將其用作鋰離子負(fù)極材料，但是其制備過程十分復(fù)雜，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0004]Han FD 等人(Adv.Energy Mater.2011, I, 789-801)以鹿糖為碳源，鋅單質(zhì)為模板，反應(yīng)釜中550 °C反應(yīng)得到交聯(lián)的中空碳球。但此方法制備只是用于實驗室制備，難以大規(guī)模生產(chǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是以廉價原料為碳源，提供一種形貌可控、制備簡單、可大規(guī)模生產(chǎn)中空碳球的制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的中空碳球的制備方法，包括以下步驟:
(a)正硅酸乙酯在水、乙醇、氨水的混合溶液中水解得到納米級的單分散的二氧化硅球；
(b)將上述所制備的二氧化硅球用十六烷基三甲基溴化銨和正硅酸乙酯進(jìn)行修飾，得到具有核殼結(jié)構(gòu)的二氧化硅球。
[0007](c)以上述具有核殼結(jié)構(gòu)的二氧化娃球作為模板，瀝青為碳源，將瀝青在惰性氣體保護(hù)，900 0C裂解沉積，再用HF酸除去二氧化硅模板便得到中空碳球。
[0008]其中步驟(C)所述的瀝青包括但不限于石油瀝青、煤焦油瀝青。
[0009]其中步驟(b)所述的表面活性劑包括但不限于十六烷基三甲基溴化銨、十二烷基三甲基溴化銨。
[0010]本發(fā)明所述的制備中空碳球的方法與已有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
1、以石油瀝青為碳源。瀝青作為石油的副產(chǎn)物，產(chǎn)量大、價格低廉，且瀝青未經(jīng)任何處理，可以直接使用，以其為碳源，制備高附加值的碳納米材料，具有十分重要的意義。
[0011]2、二氧化硅模板制備簡單，重復(fù)性好，且可控其粒徑大小。
[0012]3、本發(fā)明所利用的化學(xué)氣相沉積技術(shù)(CVD)已實現(xiàn)工業(yè)化，可規(guī)?；a(chǎn)中空碳球。
[0013]4、在制備過程中，通過調(diào)控二氧化硅模板的粒徑大小，可實現(xiàn)對中空碳球直徑和壁厚的調(diào)控。
【附圖說明】
[0014]圖1為實施例1制備中空碳球的TEM圖；
圖2為實施例2制備中空碳球的TEM圖；
具體的實施方法實施例1:
1、二氧化硅球的制備
在25 °C下，將100 ml無水乙醇、6 ml的濃氨水(25%)和2 ml的去離子水混合均勻，在攪拌狀態(tài)下加入3 ml的正硅酸乙酯，室溫攪拌6 h后離心、洗滌，在烘箱內(nèi)90 °(:烘干備用。
[0015]2、核殼結(jié)構(gòu)二氧化硅球的制備
將上述200 mg 二氧化硅球分散到60 ml去離子水中，超聲I h，待其完全分散后得到白色乳液，向其中加入200 mg十六烷基三甲基溴化銨，攪拌30 min，再加入25 ml的無水乙醇和0.9 ml的濃氨水?dāng)嚢?0 min，最后加入0.6 ml正娃酸乙醋攪拌6 h。將白色乳液抽慮、洗滌，90。C烘干備用。
[0016]3、中空碳球的制備
采用氣相沉積法制備中空碳球，將盛有10 g瀝青和I g模板的兩個剛玉瓷舟分別置于管式爐爐管的進(jìn)口處和恒溫區(qū)，以30 sccm氮氣為保護(hù)氣體，以5 °C/min的升溫速率升溫至900 °C保溫3 h后，在氮氣氛圍下，自然冷卻至室溫，收集黑色樣品。將得到黑色粉末浸泡在10%的HF酸中，靜置過夜，然后抽慮、洗滌至中性，在100 °C下烘干即可得到最終產(chǎn)物。圖1為實施例1制備中空碳球的TEM圖。從圖可以看出，通過該方法可成功制備出直徑為250 nm，壁厚為50 nm的中空碳球。
[0017]實施例2:
實施例2與實施例1的不同之處在于:在制備核殼結(jié)構(gòu)的二氧化硅球時，十六烷基三甲基溴化銨的加入量由原來的200 mg增加到400 mg，正硅酸乙酯的加入量由原來的0.6 ml增加到1.5 ml，其它制備過程同實施例1。圖2為實施例2制備中空碳球的TEM圖。從圖2可以看出，通過改變十六烷基三甲基溴化銨和正硅酸乙酯的加入量，所得中空碳球的壁厚由實施例1的50 nm變?yōu)?10 nm。
【主權(quán)項】
1.一種瀝青基中空碳球的制備方法，包括以下步驟:步驟I)正硅酸乙酯在水、乙醇、氨水的混合液中進(jìn)行水解，得到單分散的二氧化硅納米球；步驟2)將所制備的二氧化硅納米球用十六烷基三甲基溴化銨和正硅酸乙酯進(jìn)行修飾，得到具有核殼結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米球；步驟3)以核殼結(jié)構(gòu)的二氧化硅為模板，以瀝青為碳源，通過氣相沉積法在惰性氣氛中，在900 °C下裂解沉積3 h，再將模板去除后得到中空碳球。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟2)二氧化硅和十六烷基三甲基溴化銨質(zhì)量比為0.5-2 ;二氧化硅和正硅酸乙酯的質(zhì)量比為0.13-0.6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟3)瀝青的裂解沉積時間為1-5ho
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種以瀝青為碳源制備中空碳球的方法。該制備方法主要包括：1）納米二氧化硅球的制備；2）用十六烷基三甲基溴化銨和正硅酸乙酯對二氧化硅納米球進(jìn)行修飾；3）以石油瀝青為碳源，氣相沉積法制備中空碳球。本發(fā)明所使用的碳源來源豐富，價格低廉；制備設(shè)備簡單，條件可控，適合規(guī)?；a(chǎn)；所得中空碳球大小均一，分散性好，直徑和壁厚可控，可用于能源材料及生物載體等領(lǐng)域。
【IPC分類】H01M4-583, C01B31-02
【公開號】CN104817066
【申請?zhí)枴緾N201510251735
【發(fā)明人】王魯香, 馬慶濤, 賈殿贈
【申請人】新疆大學(xué)
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年5月18日