[发明专利]中空碳球的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新型碳材料领域，具体涉及一种中空碳球的制备方法。

背景技术

现代科技的快速发展推动了材料领域的飞速前进。碳材料具有复杂多变的成键形式，如sp，sp2和sp3杂化，可以形成多种结构形态，展现出巨大的应用前景。碳材料作为材料科学的一个重要分支，尤其是在富勒烯及碳纳米管的发现之后，引起了广泛关注。中空碳球具有优良的化学稳定性和热稳定性，并且质量轻，抗压性能好，因此被广泛应用于电极材料，储能储氢材料，吸附材料，润滑剂及催化剂载体等领域，受到了学术和工业各方面的重视。模板法是一种有效的制备中空碳球的方法。在Adv Mater，2002，14：1390-1393.中Jyongs ik Jang等利用SiO₂为模板，二乙烯基苯为碳源，制备了大小约22nm的中空碳球。然而该方法需要利用强腐蚀性的HF除去模板。在Macromol ChemPhys，2006，207：1633-1639.中Yunfen Lu等利用有机模板代替无机模板，以磺化聚苯乙烯空心球为模板，自制酚醛树脂为碳源，成功的制备出双层碳壳。该方法与无机模板法相比，减少了后续的模板除去流程，提高了效率，但是采用自制酚醛树脂和聚苯乙烯微囊为原材料，存在成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简便易行的中空碳球的制备方法。本发明所提供的制备方法不使用强腐蚀性物质，生产过程环保，且成本低。

本发明方法关键在于控制聚苯乙烯微球模板的磺化程度和酚醛树脂的加料比，具体步骤如下(如图1所示)：

1)采用现有技术制备聚苯乙烯微球模板(制备过程工艺参数参见Mater.Lett.2003；57：4466-4470)并干燥；

2)将干燥后的聚苯乙烯微球模板加入质量分数为95％-98％的浓硫酸中，超声震荡分散，并在40℃下磺化1-6小时，其中，聚苯乙烯微球模板与浓硫酸的用量比为1g∶10ml；

3)将磺化后的聚苯乙烯微球模板洗涤、干燥，分散到无水乙醇中，得到聚苯乙烯微球模板的乙醇分散液，无水乙醇与聚苯乙烯微球模板的用量关系为：200ml∶1g；

4)按酚醛树脂与聚苯乙烯微球模版的质量比2-5∶1称取酚醛树脂，溶于无水乙醇中，得到酚醛树脂乙醇溶液，其中，无水乙醇的用量与步骤3)中无水乙醇的用量相同；

5)将步骤4)中得到的酚醛树脂乙醇溶液在搅拌条件下滴入聚苯乙烯微球模板的乙醇分散液中，反应4个小时，产物离心分离后，分散在乙二醇中，乙二醇的用量与步骤3)中无水乙醇的用量相同，并在150℃下反应2小时，得到聚苯乙烯/酚醛树脂复合球；

6)将聚苯乙烯/酚醛树脂复合球离心、烘干后进行碳化得到中空碳球，其中，炭化工艺为：将复合球在通氮N₂的条件下，以2.4℃/分钟的升温速率，升温至400℃，并恒温30分钟，再以3℃/分钟的升温速率升温至900℃，恒温1小时。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明所采用的原料均为工业化产品，成本低，不需要特殊的反应装置和设备，适用于工业化生产。

2)本发明使用无毒的有机溶剂作为反应介质，且反应介质可以回收利用，既环保又经济。

3)本发明可以通过改变磺化时间或酚醛树脂加入量控制球壳厚度。

4)本发明方法简便易行，制得的中空碳球尺寸均匀，直径为520-575nm，无杂质物质。

附图说明

图1、本发明中空碳球制备过程示意图。

图2、本发明所制备的聚苯乙烯微球和磺化后的聚苯乙烯微球的红外谱图；其中，PS是实施例1制备的单分散聚苯乙烯微球的红外谱图、S2-S5分别为实施例1-4中，磺化2-5小时的磺化聚苯乙烯微球模板的红外谱图。

图3、本发明所制备的聚苯乙烯和磺化聚苯乙烯的SEM照片；其中，a为实施例1制备的聚苯乙烯微球的SEM照片、b为实施例3制备的磺化4小时的聚苯乙烯微球的SEM照片、c实施例4制备的磺化5小时的聚苯乙烯微球的SEM照片。

图4、本发明所制备的中空碳球的TEM照片；其中，a为实施例1制备的中空碳球的TEM照片；b为实施例2制备的中空碳球的TEM照片、c实施例3制备的中空碳球的TEM照片、d为实施例4制备的中空碳球的TEM照片。

图5、本发明所制备的中空碳球的TEM照片；a为实施例5制备的中空碳球的TEM照片、b为实施例6制备的中空碳球的TEM照片、c为实施例7制备的中空碳球的TEM照片。

具体实施方式

实施例1