[发明专利]一种无机载体表面负载碳层的复合材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种无机载体表面负载碳层的复合材料，其特征在于该材料兼具有无机载体和碳材料的双重性质，内核为无机载体，表面为包覆碳层，且碳层形貌和厚度可控。所述无机载体既可为硅基载体，也可为非硅基载体，既可为无孔材料，也可为多孔材料。碳源为葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素等生物质原料。本发明还提供了上述复合材料的制备方法，具体包括：(1)无机载体表面硅烷化法修饰氨基；(2)以上述生物质为碳源，水热法在无机载体表面负载碳层；(3)高温焙烧提高碳层石墨化性质。该复合材料制备过程简单、方便、成本低、适用范围广且易于工业化，在吸附、色谱分离和电池材料等领域具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种新型碳复合材料及其制备方法，具体地说是一种在无机载体表面负载碳层的复合材料。

技术背景

碳是自然界含量最丰富、最重要的元素之一，具有良好的化学稳定性、热稳定性和导电导热性，故以碳为主体的材料已在吸附、催化、能量储存等领域得到广发应用(Titirici,MM,Chem.Soc.Rev.,2015,44,250)。基于碳材料优良的性能，寻求高产碳率、低成本的制备方法一直是研究热点。目前碳材料的制备方法主要包括高温热解法、化学气相沉积法、电弧放电法、模板法、水热碳化法等。其中，水热碳化法是一种优于其他方法的绿色、可持续的产碳途径，其操作简单，反应条件温和，且以廉价的生物质为原材料，水为反应媒介(Titirici,MM et al.,Energy Environ.Sci.,2012,5,6796)。但水热碳材料的形貌和孔径可控性相对较差。主要表现在①水热碳材料中最常见的水热碳球，粒径一般在10μm以下，且粘连很严重，10μm以上基本无法合成；②直接水热后的碳球比表面积和孔隙率比较低，目前一般通过高温焙烧活化来提高性能，但焙烧产生主要为微孔，导致其在大尺寸分子(生物大分子、染料等)吸附、色谱分离、锂离子电池等诸多领域的应用都受到限制。因此，开发形貌和孔径可控的碳材料具有重要的应用价值。

此外，传统碳材料主要利用了碳的性质，但碳材料本身存在的一些问题使其在使用中产生了诸多不便，例如①碳材料的机械强度一般较低，无法在高压条件下使用；②活性炭等常作为脱色剂，但其存在极细颗粒，在脱色结束后过滤去除的过程中会穿过滤布，污染产品。如果在SiO₂等形貌高度可控的无机载体表面负载碳层，使其兼具有碳和载体的性质，则将在很大程度上提高其适用范围，例如在球形硅胶表面负载一层均匀的碳层，则可借助硅胶的高机械强度性质应用于高效色谱分离中；在大粒径球型硅胶表面负载碳层，则有助于其使用完后快速沉降回收。而在其他一些领域，碳层也可起到强化载体性质的作用，例如在Si粉表面包覆碳层可有望提高其作为锂离子电池负极材料的导电性和循环使用性。

基于以上分析，本发明充分考虑了无机载体和碳材料的双重性质，提出利用水热碳化方法制备无机载体表面包覆均匀碳层的复合材料。主要通过对载体修饰氨基，利用其在酸性条件下对水热碳的静电作用，诱导水热碳在载体表面聚合生长。当前，尚没有通过此法制备此类复合材料的报道和产品。

发明内容

本发明的目的是提供一种无机载体表面负载碳层的复合材料及其制备方法。该材料特征在于兼具有无机载体和碳材料的双重性质，内核为无机载体，表面为包覆碳层，且碳层形貌和厚度可控。

本发明的技术方案是：无机载体表面包覆碳层的复合材料，其具体结构示意图见图1。

所用无机载体既可为硅、二氧化硅等硅基载体，也可为金属、金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物、金属氟化物、金属碳化物等非硅基载体，所述金属元素为钛、铁、钯、镉、铈、钨、锌、硒、碲、铜、钼、镍、铅、银、汞中一种或两种以上。

所用无机载体的形貌为无定型、球形、棒状、片状等各种形貌材料。

所用无机载体为无孔、微孔、介孔或大孔材料。

所包覆碳层的厚度为0.1～500nm，碳元素为sp²或sp³杂化碳，含碳量为 1％～50％。