[发明专利]一种中空碳球的制备方法

说明书

一种中空碳球的制备方法，涉及碳材料。1)制备可完全热解的交联聚合物微球；2)将沥青溶入四氢呋喃中，滤去不溶组分，得到沥青的四氢呋喃溶液；3)将步骤1)中得到的交联聚合物微球通过超声或搅拌的方法浸渍到步骤2)的四氢呋喃溶液中，随后经过滤、干燥得到中空碳球的前驱体；4)将步骤3)中得到的中空碳球的前驱体经空气气氛中氧化交联和高温惰性气氛下热解，交联聚合物微球分解得到空腔，沥青热解炭化得到壳层碳，即制得中空碳球。以沥青为碳源，交联聚合物微球为模板，通过溶胀浸渍的方法，可大规模制备，工艺简单、环保、成本低。通过控制交联聚合物球微球的尺寸和浸渍沥青溶液的浓度/时间，实现对空腔直径和碳层厚度的调控。

技术领域

本发明涉及碳材料，尤其是涉及以沥青为碳源的一种中空碳球的制备方法。

背景技术

中空碳球作为一种新兴的碳微纳米材料，具有密度低、热稳定性好、化学稳定性高、比表面积大、导电性优良和生物相容性好等优点，在电化学储能、催化和电化学传感等领域具有巨大的研究价值和应用前景，受到研究者们的广泛关注。

目前，制备中空碳球的方法主要有水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、激光蒸发法、电化学气相沉积法及模板法等。其中，模板法应用的最为广泛。模板法是首先将碳前驱体包覆在模板的表面，经过高温碳化、去除模板，从而得到中空碳球。Shihui Wu等人报道了一种制备中空碳球的方法，并将其应用在锂硫电池领域，使其拥有良好的电化学性能(SWu,Poroushollow carbon nanospheres embedded with well-dispersed cobalt monoxidenanocrystals as effective polysulfide reservoirs for high-rate and long-cyclelithium–sulfur batteries.Journal of Materials Chemistry A,2017,5:17352-17359)。在该报道中，利用二氧化硅球作为模板，酚醛树脂作为碳前驱体，高温碳化后，用强腐蚀性的氢氟酸进行刻蚀，从而制得中空碳球。

水热法和溶剂热制备中空碳球原理是在高压釜内以水或有机溶剂为溶剂，在在高于溶剂沸点温度下，自生压力下合成。Cui等把三聚氯氰、双氰胺和乙腈加入高压釜，在120～180℃高压反应48h，洗涤干燥后得到掺氮的中空碳球(YCui,Y.Tang,XWang,Template-free synthesis of graphitic carbon nitride hollow spheres for photocatalyticdegradation of organic pollutants.Materials Letters,2015,161:197～200)。Li等将丙酮和叠氮化钠放入高压釜，400℃下水热合成得到中空碳球(G Li,C Guo,C Sun et al.AFacile Approach for the Synthesis of Uniform Hollow Carbon Nanospheres,TheJournal of Physical Chemistry C,2008,112(6):1896～1900)。

T Mehrdad等人通过化学气相沉积的方法，以乙炔为碳源，氧化汞为模板制备中空碳球(T Mehrdad,S Majid,H Iraj,Synthesis and characterization of core-shellHgO/C colloids and hollow carbon nanospheres by chemical vapor deposition andinvestigation of its conductivity properties[J].Solid State Sciences,2018,84:95-103)。

中国专利CN104817066A公开了一种以沥青为碳源制备中空碳球的方法。在该方法中，利用二氧化硅球为模板，以化学气相沉积的方法在900℃下将沥青裂解并沉积在二氧化硅表面，最后用强腐蚀性的氢氟酸进行刻蚀，得到中空碳球。