[发明专利]一种碳中空球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳中空球及其制备方法，属于纳米中空球体材料制备领域。

背景技术

碳中空球是一类具有特殊结构的功能材料，在能源、催化、医疗等领域均有着广泛的应用。近年来，随着锂离子电池在便携式电子产品、电动汽车和即插式混合电动车中研究的日益深入，人们发现碳中空球不但可作为多种电池活性物质的导电载体，还可直接作为电极活性物质使用，因而对其投以广泛的关注。目前，碳中空球的化学制备主要是采用模板法和无模板法进行，模板法主要采用具有可碳化壳层的核壳结构复合球，通过高温烧结使壳层部分裂解成碳并除核形成中空结构，此类方法通常需要昂贵的模板球，过程复杂产率低下，难以工业化生产，而无模板法主要通过金属和含碳溶剂的热还原法来制备，此类方法对反应条件要求苛刻，并且对产物结构形貌的控制力较差。

基于以上原因，本方法提出碳中空球及其制备方法，该方法采用价廉易得的无机模板球为原料，通过简单的工艺即可得到形貌尺寸均一可控的碳中空球，具有很强的实用性，并可用于工业化生产。

综上所述，需要提供一种原料廉价易得、具有实用性、适于工业化生产且能得到形貌尺寸均一的碳中空球的制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种形貌尺寸均一的碳中空球及其制备方法。

本发明提供的碳中空球的制备方法，包括如下步骤：

1)苯乙烯类化合物在溶有引发剂和稳定剂的二氧化硅球分散液中进行聚合反应得到外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球；

2)所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球经过磺化反应得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球；

3)将所述外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球进行烧结得到外层包覆有碳层的二氧化硅球；

4)所述外层包覆有碳层的二氧化硅球与碱或酸反应即得所述碳中空球。

上述的制备方法中，步骤1)所述苯乙烯类化合物为苯乙烯和二乙烯基苯中至少一种；所述二氧化硅球为单分散二氧化硅球；所述二氧化硅球的直径为150nm-1000nm，如220nm、300nm或1000nm。

上述的制备方法中，步骤1)所述二氧化硅球可通过包括以下步骤的方法制备：正硅酸乙酯在氨水的作用下发生水解反应即得所述二氧化硅球；所述水解反应的溶剂可为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇，以及其它极性醇类溶剂；所述正硅酸乙酯、氨水与溶剂的体积份数比可为1∶(1-5)∶(3-20)，如1∶2∶12、1∶3.6∶19.4、1∶1∶3；所述水解反应的温度可为25℃-40℃，如25℃或30℃；所述水解反应的时间可为3小时-12小时，如4小时、6小时或12小时。

上述的制备方法中，步骤1)所述引发剂可为2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐；所述稳定剂可为聚乙烯吡咯烷酮，其重均分子量可为350,000g/mol-600,000g/mol；步骤1)所述聚合反应的溶剂可为水。

上述的制备方法中，步骤1)所述聚合反应的温度可为60℃-80℃，如60℃或80℃；所述聚合反应的时间可为6小时-48小时，如12小时或48小时。

上述的制备方法中，步骤1)所述二氧化硅球分散液中所述二氧化硅球的质量-体积浓度可为1mg/mL-100mg/mL，如10mg/mL、12mg/mL或16mg/mL；所述二氧化硅球分散液中所述引发剂和稳定剂的摩尔浓度分别可为1mmol/L-80mmol/L，如7.37mmol/L、19.17mmol/L或36.87mmol/L和0.02mmol/L-50mmol/L，如0.03mmol/L、0.0333mmol/L或0.0857mol/L；所述苯乙烯类化合物的摩尔浓度可为1mmol/L-50mmol/L，如38.4mmol/L或48.01mmol/L。

上述的制备方法中，步骤2)所述磺化反应的磺化剂可为浓硫酸、焦硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸和氨基磺酸中至少一种；所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与所述磺化剂的质量份数比可为1∶(10-30)，如1∶10、1∶15或1∶20；所述磺化反应的温度可为0℃-150℃，如0℃、50或60℃；所述磺化反应的时间可为0.5小时-48小时，如0.5小时、4小时或48小时；所述磺化反应的终止剂可为水、乙醇、丙酮和四氢呋喃中至少一种。

上述的制备方法中，步骤3)所述烧结可在惰性气体中进行；所述惰性气体可为氮气、氩气或氦气中至少一种；所述烧结的温度可为400℃-1200℃，如600℃、900℃、或1200℃；所述烧结的时间可为2小时-10小时，如3小时、4小时或5小时。