[发明专利]一种小尺寸实心碳球的制备方法及制备得到的碳球

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳球的制备方法，尤其是一类新型的高比表面积的小尺寸实心碳球的制备方法以及利用该方法制备得到的碳球。 

背景技术

随着纳米碳管，富勒烯和石墨烯等新型碳材料的发现，科学工作者越来越认识到碳材料在科学发展和人类进步中的重要地位。碳材料具有高的化学稳定性，高的比表面积，可控的孔道结构以及良好的电学性质。碳材料在化学领域，电子领域以及航空领域有着广泛的应用前景，引起了人们极大的重视。其中，球状碳材料(以下简称为“碳球”)常被用于催化剂载体材料，药物载体和缓释材料，水净化材料等，是一类重要的碳材料。 

碳球的制备方法有很多种，如化学气相沉积法，沥青热解法，电弧法以及糖脱水法等。其中，化学气相沉积法和电弧法操作复杂并且需要昂贵的设备；沥青热解法不仅需要高温设备，还需要惰性气氛保护，而且沥青属于石油资源，不可再生。而糖类脱水法，以可再生的糖类为原料，操作简单易行，不需要气体保护，反应条件温和(＜300℃)，更有利于规模化生产。 

传统糖类脱水法是将糖的溶液放入水热釜中，在一定的温度下反应一段时间，使糖分解再聚合，最终形成碳球。在传统糖类脱水基础中，研究者做过很多尝试来制备功能化的碳球，来扩大他们的应用范围。例如：Demir-Cakan等在水热葡萄糖的时候加入丙烯酸，制备得到了表面含羧酸基团的碳球，并且用于金属离子的吸附(Chem.Mater.2009，21，484-490)。Demir-Cakan等在另外一篇工作中利用乙烯基咪唑作为添加物，用在葡萄糖水热过程中，得到了表面咪唑修饰的碳球。这些碳球具有固体碱的性质，在Knoevenagel缩合反应中表现出了很好的催化性能(Catal.Today 2010， 150，115-118)。但是上述碳球的尺寸都在几百纳米到微米级。Falco等研究了水热法处理葡萄糖制备碳球的过程，160度下24小时得到的碳球直径为474nm，在260度下反应24小时得到的碳球直径为685nm，而且这些碳球只拥有很低的比表面积(＜10m2/g)，大大限制了碳球在催化，载药，水处理等中的应用(Green Chem.2011，13，3273-3281)。为了更好的在实际中应用碳球，制备一类具有高比表面的小尺寸碳球是一个有意义的挑战。 

发明内容

本发明提供一类由糖类制备小尺寸实心碳球的方法，该方法在水热碳化过程中引入聚合的离子液体，可以控制碳球的直径在80nm以下，并且具有高的比表面积，该方法设备投入少，操作简单，批次差异小，适合规模化生产制备。 

一种小尺寸实心碳球的制备方法，包括： 

(1)将糖化合物和聚合的离子液体溶解到水中形成混合溶液； 

(2)将步骤(1)得到的混合溶液加热到140-260摄氏度，保温10-48小时，后处理得到直径小于等于80nm的实心的碳球； 

所述聚合的离子液体为下式所示化合物中的一种或多种： 

上式中，Y-为BF4-、Cl-、Br-、I-、Tf2N-或[N(CN)2]-；n＝1-15；3000＜m＜12000； 

步骤(1)中，所述的糖化合物可选用蔗糖、果糖、葡萄糖、半乳糖、氨基葡萄糖中的一种。 

所述混合溶液中糖化合物的浓度可根据实际需要确定，作为优选，所 述混合溶液中糖化合物的浓度为0.1-0.6g/mL。如果糖化合物的浓度太低，碳球收率会降低；如果糖化合物的浓度太高，得到的碳球的均一性会下降，形成部分团聚体。 

所述混合溶液中聚合离子液体的浓度可根据实际需要确定，作为优选，所述混合溶液中聚合的离子液体的浓度可以是0.005-0.1g/mL。如果聚合离子液体的浓度过低，形成小尺寸碳球的比例会下降；如果聚合离子液体的浓度太高，经济性会降低，因为聚合离子液体价格较为昂贵。所述聚合的离子液体与糖化合物的重量比可根据实际需要确定，一般为1∶4-10。 

步骤(2)中，温度控制是一个重要的因素，温度如果太低，糖化合物的脱水碳化无法进行，只能得到棕色溶液；温度如果过高，糖化合物的脱水碳化进行速度太快，形成团聚的碳材料，不会得到碳球相。作为优选所述的温度控制在150-230摄氏度之间。