[发明专利]空心碳球纳米材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种空心碳球纳米材料及其制备方法，属于无机材料领域。

背景技术

近年来，关于碳材料的微观形貌改性成为研究的热潮。其中中空的碳纳米球（HCSs）由于具有独特的性能，如高的比表面积、优异的导电性能和热稳定性等备受研究者关注。HCSs在各种领域具有很好的应用前景，如吸附，锂离子电池，燃料电池和催化，也可以作为复杂结构的单元，如用作烟火药剂的碳材料部分。近年来，科学工作者一直以很大的努力致力于HCSs的合成。然而，大多数HCSs的制备方法比较复杂，因此，非常不利于工业上大规模的连续生产。

在文献“Hollow Carbon Nanospheres with a High Rate Capability for Lithium-Based Batteries.Chemsuschem5(2012)400-403”中，Tang K,White Robin J.,Mu X.通过持续水热的方法以葡萄糖为原料制空心碳团簇，并将其应用于锂电池中，显示具有很高的比容和良好的循环稳定性。但是此方法不能很好的控制空心碳球的生长。

在文献“Easy synthesis of hollow core,bimodal mesoporous shell carbon nanospheres and their application in supercapacitor.Chemical Communications47(2011)12364-12366”中，You B,Yang J,Sun YQ,Su QD以二氧化硅为模板合成空心碳球，但是二氧化硅的制备和去除都非常复杂。

在文献“Preparation of amphiphilic hollow carbon nanosphere loaded insulin for oral delivery.Colloids and Surfaces B:Biointerfaces2013;103,238-243”中，Moorthy G,Thangavel P,Muniram S,Lonchin S成功制备了空心碳球，并将其应用于医药领域。但合成过程需要很多时间而且步骤繁多。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空心碳球纳米材料及其制备方法，所述方法简便易行，经济合理，适合工业生产，且空心碳球的大小及外壳厚度均可以调控。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种空心碳球纳米材料，所述材料为中空球形，中空芯直径为300-1500纳米，外壳厚度为10-100纳米。

所述空心碳球纳米材料的制备方法，步骤如下：

（1）纳米聚苯乙烯粒子的合成

聚（N-乙烯基吡咯烷酮）溶解在装有无水乙醇的烧瓶中，得到溶液A，将所述烧瓶置于20-70℃水浴条件下，并以120rpm的转速进行机械搅拌；将2,2'-偶氮（异丁腈）溶解在苯乙烯中，得到溶液B；机械搅拌30分钟后，将溶液B逐滴加入所述烧瓶中；将乙二醇二甲基丙烯酸酯溶解在苯乙烯和无水乙醇的混合溶液中，得到溶液C；滴加完溶液B1小时后，将溶液C逐滴加入所述烧瓶中；滴加完溶液C6小时后，将溶液D逐滴加入到所述烧瓶中；滴加完溶液D12-24小时后，收集得到纳米聚苯乙烯粒子；

（2）包覆的聚苯乙烯纳米球的合成

将步骤（1）中制备的纳米聚苯乙烯粒子分散在去离子水中，然后加入苯酚和六亚甲基四胺的水溶液中，得到混合溶液；搅拌5分钟后，将混合溶液转移至聚四氟乙烯内衬的高压釜中，在80-220℃加热1-9小时；先用水离心洗涤2-10次，再用无水乙醇离心洗涤2-10次后收集得到包覆的聚苯乙烯纳米球；

（3）空心碳纳米球的合成

在氮气氛围下，将步骤（2）中制备的包覆的聚苯乙烯纳米球以2-20℃·min^-1的加热速率从室温升温至60-300℃，在该温度下保持1-10小时；接着再以2-20℃·min^-1的加热速率升温至400-1000℃，在该温度下保持1-10小时；冷却后即得本发明所述的空心碳球纳米材料；

其中，步骤（1）的反应一直保持在20-70℃水浴和120rpm的机械搅拌下进行；

步骤（1）所述溶液A中聚（N-乙烯基吡咯烷酮）和无水乙醇的质量比为1：（0.5-80）；

步骤（1）所述溶液B中2,2'-偶氮（异丁腈）和苯乙烯的质量比为（0.01-0.1）：1；且溶液B中2,2'-偶氮（异丁腈）和溶液A中聚（N-乙烯基吡咯烷酮）的质量比为（0.25-0.5）：1；