[发明专利]一种生物质碳微/纳米球的低温水热制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及新型碳材料的制备领域，具体为涉及一种生物质碳微/纳米球的低温水热制备方法。

背景技术

在此处键入背景技术描述段落。活性炭材料由于其具有极好的吸附性能一直以来在环境保护和吸附分离、纯化方面发挥着巨大的作用。特别是近年来，新型微/纳米碳材料，如碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯和微/纳米碳实心或空心球等，由于其独特的形貌、表面物化性质和电性质，在生物传感器、生物诊断、电极材料、储氢、药物载体、吸附剂及催化剂载体等方面显示出广阔的应用前景。

这些新型碳材料一般采用化学气相沉积和高温热分解等方法制备，但这些传统途径需要高温或先合成适宜的硬模板, 存在制备过程复杂、能耗高以及碳材料表面官能团较少等缺点，而生物质的水热碳化主要有两个方面的优点：第一，在密闭容器中相对温和的水热条件下进行，不使用有机溶剂，采用可再生的生物质原料，是一条环境友好、绿色的制备途径；第二，所制碳材料的形貌（形状和尺寸）和表面化学性质（表面含氧功能团）能通过反应条件（时间、温度和浓度）来控制，因而这种方法能克服上述传统制备方法的不足，近年来已成为新型碳材料制备领域的研究热点。

李亚栋等（Angew. Chem. Int. Ed. 2004, 43, 597~601）通过控制葡萄糖的水热碳化条件如时间、温度和浓度获得了不同尺寸的微/纳米胶体碳球，但水热碳化温度在160~180^oC。大量研究表明果糖的水热碳化温度在130^oC左右，而其他生物质如葡萄糖为180^oC左右，淀粉、纤维素及木质纤维素的水热碳化温度超过180^oC，一般控制在200^oC左右，超过220^oC后由于属放热反应可能引起安全问题。

俞书宏等（Adv. Mater. 2004, 16, 1636-1640; Small 2006, 2, 756~759）发现加入贵金属盐或硫酸亚铁铵等能有效加速淀粉的水热碳化，但水热碳化温度都在180~200^oC。

徐雪青等（Materials Science Forum 2011, 685, 123~129）采用盐酸或氢氧化钠调节葡萄糖水溶液的pH值在3、5、7、9、11，然后分别进行水热碳化，不同pH值只改变了碳球的尺寸大小，而水热碳化温度没降低，维持在190^oC。

Stephanie-Angelika Wohlgemuth等（Green Chem. 2012, 14, 741~749）报道采用胱氨酸或其衍生物作为氮源和硫源能加速水热碳化过程，但水热温度仍在180^oC。

CN 101538034 B公开了一种采用蔗糖或环糊精作为原料，在较大温度范围内（120~200^oC）通过水热法一步合成炭球的制备方法，虽然在权利要求书中公布的水热温度低至120^oC，但未见公开采用何办法或措施来获得如此低的水热碳化温度，且在说明书的具体实施例中公布的水热反应温度都为180^oC。

CN 101254913 B公开了一种将蔗糖或葡萄糖溶解在较高浓度的不挥发性质子酸水溶液中，在较大温度范围内（100~240^oC）通过水热法制备碳纳米管或棒的方法，虽然在低水热温度下（100^oC）能获得碳纳米棒，但质子酸浓度高，其用量为非催化量的。

上述传统水热碳化方法的水热温度除了采用非催化量的不挥发性质子酸水溶液和采用果糖作原料外都较高，且生物质碳产率较低，但自然界中果糖类生物质少，而其他生物质来源广泛；水热温度高易出现安全问题，且不利于节约能源和使水热碳化条件更绿色，这两方面都不利于实现规模化工业生产；为了克服上述传统水热碳化方法的不足，以降低非果糖类生物质水热碳化温度，提高生物质碳产率，本发明基于碱或路易斯酸催化葡萄糖到果糖的异构反应，结合质子酸催化含葡萄糖单元碳水化合物的水解反应和脱水反应的科学依据，提出了一种碱催化或路易斯酸/质子酸催化一锅水热碳化的生物质碳制备方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种水热碳化温度低、生物质碳产率高的碱催化或路易斯酸/质子酸催化生物质一锅水热碳化的生物质碳制备方法。

本发明所述的催化生物质水热碳化的生物质碳制备方法，包括以下步骤：