CN100537422C - 一种尺寸规整的中空微米碳球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种中空微米碳球的制备方法：将聚苯乙烯微球加入水中，经超声分散得分散有聚苯乙烯微球的水溶液；将导电高聚物单体加入分散有苯乙烯微球的水溶液中，搅拌分散得混合体系；将氧化剂溶液缓慢滴至混合体系中，3-6h后得中间产物；将中间产物用去离子水洗至中性，再用乙醇清洗后，空气下干燥，得导电高聚物-聚苯乙烯球；将导电高聚物-聚苯乙烯球浸于四氢呋喃中10-40h后离心，空气下50-80℃干燥，得中空导电高聚物球；再将中空导电高聚物球置于瓷舟中，在氮气下真空热处理1.5-4.5h后，自然冷却到室温，即得尺寸规整的中空碳球。该方法原材料成本低廉，空气条件下热处理，不需催化剂，所制产品尺寸规整。
Description
发明领域
本发明涉及一种简单高效制备尺寸规整的中空微米碳球的制备方法。
背景技术
碳材料是与人类文明进步息息相关的重要材料，各种不同形态的碳单质以及碳化合物在人类发展中做出了巨大的贡献。近年来球状碳材料因为其在生物领域和电子领域中的广泛应用前景而引起了人们极大的兴趣。球状结构的碳材料的合成目前有化学气相沉积、等离子体沉积、催化热解、催化还原方法和电弧法等。而使用最为广泛的制备方法是电弧法。此方法用脉冲电流在高温下进行电弧放电反应，需要一个内压为1-10大气压的反应室，且得到的产物需要有一个纯化过程。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种简单高效的尺寸规整的中空微米碳球的制备方法，该方法的原材料成本低廉，热处理空气条件下进行不需催化剂，所制产品尺寸规整。
本发明的技术方案如下：
本发明提供尺寸规整的中空微米碳球的制备方法，其特征是：首先制备尺寸规整的聚苯乙烯微米球，然后在聚苯乙烯球存在条件下制备得到导电高聚物均匀包覆的导电高聚物-聚苯乙烯球，再通过四氢呋喃洗去导电高聚物-聚苯乙烯球内的聚苯乙烯从而得到中空的导电高聚物球，最后通过在一定温度下对导电高聚物球进行热处理得到尺寸规整的中空碳球。所述中空碳球直径在200-400nm之间，壁厚在10-50nm之间。
其具体步骤如下：
1)中空导电高聚物球的制备；
a、按每50ml水加入1克聚苯乙烯微米球的比例，将聚苯乙烯微米球加入水中，超声30分钟使其充分分散得到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液；
b、将导电高聚物单体加入分散有聚苯乙烯微米球的水溶液中，磁力搅拌条件下充分分散，得到导电高聚物单体/聚苯乙烯微米球混合体系；
所述导电高聚物单体与聚苯乙烯微米球的质量比为0.5-3；
c、将氧化剂溶液以一定的滴加速率缓慢滴加到导电高聚物单体/聚苯乙烯微米球混合体系中，滴加结束后反应持续3-6h得到中间产物；
所述氧化剂溶液为三氯化铁或过硫酸铵溶液；
所述氧化剂溶液浓度为0.7-1.5M；
所述氧化剂溶液的滴加速率为7-20ml/h；
所述氧化剂与导电高聚物单体摩尔比为1-4；
d、将中间产物先用去离子水洗至中性，然后再用乙醇清洗后，空气气氛下50-80℃干燥6-10h，得到导电高聚物均匀包覆的导电高聚物-聚苯乙烯球；
e、将导电高聚物均匀包覆的导电高聚物-聚苯乙烯球浸泡于四氢呋喃中10-40h，然后经离心，将离心后所得产物在空气气氛下50-80℃干燥6-10h得到中空导电高聚物球；
2)将得到的中空导电高聚物球置于瓷舟中，在氮气气氛下真空热处理1.5-4.5h后，再自然冷却到室温，即得到直径为200-400nm壁厚为10-50nm的尺寸规整的中空微米碳球。
本发明所使用的所述聚苯乙烯微米球的制备如下：
a、将苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体溶于去离子水中，在机械搅拌下充分分散，得到含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系；
所述苯乙烯单体、甲基丙烯酸单体与去离子水的体积比为18：2：140；
b、将过硫酸钠充分溶于去离子水中，得到浓度为0.04M的过硫酸钠溶液；
c、过硫酸钠溶液加入含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系中，机械搅拌20分钟后，再加热到80℃，80℃下持续12h，得到白色悬浮液；
所述过硫酸钠溶液与含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系的体积比为1：8；
d、离心白色悬浮液，将离心后得到的白色沉淀物在空气气氛下60℃干燥12h，得到200nm-400nm聚苯乙烯微米球。
所述导电高聚物单体是苯胺、吡咯或噻吩。
所述2)中热处理温度为750-1100℃。
与现有技术相比，本发明提供的制备中空碳球的方法具有如下优点：
1、本发明提供的中空碳球纯度高，分散性好，尺寸规整在200-400nm范围内；
2、本发明提供的制备方法所需的原材料成本低廉；
3、本发明提供的制备方法不需要特殊的反应设备，热处理时不需要催化剂；
4、本发明提供的整个制备过程除去最后热处理外，均在空气条件下进行，无需氮气保护；
5、本发明提供的制备方法可以简单通过加入的导电高聚物单体的量就可以不同壁厚的中空碳球。
附图说明
图1和图1为制备得到的中空碳球的扫描电镜(SEM)照片和X射线能谱(EDX)分析结果；
其中：图1—中空碳球的SEM图；
图2—中空碳球的EDX图。
具体实施方式
实施例1、制备壁厚约为15nm的中空碳球：
1)聚苯乙烯微球的制备
a、将18份苯乙烯单体和2份甲基丙烯酸单体溶于140份去离子水中，在机械搅拌下充分分散，得到含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系；
b、将过硫酸钠充分溶于去离子水中，得到浓度为0.04M的过硫酸钠溶液；
c、将20ml浓度为0.04M的过硫酸钠溶液加入含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系中，机械搅拌20分钟后，再加热到80℃，80℃下持续12h，得到白色悬浮液；所述过硫酸钠溶液与含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系的体积比为1：8；
d、离心白色悬浮液，将离心后得到的白色沉淀物在空气气氛下60℃干燥12h，得到200nm-400nm聚苯乙烯微米球。
2)制备中空聚吡咯球；
a、称取1g聚苯乙烯球于50ml水中，超声30分钟使其充分分散得到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液；
b、量取0.5ml的吡咯单体加入到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液中，磁力搅拌条件下充分分散，得到吡咯单体/聚苯乙烯微米球混合体系；
c、将10.3ml浓度为0.7M的三氯化铁溶液以7ml/h的滴加速率缓慢滴加到吡咯单体/聚苯乙烯微米球混合体系中，滴加结束后反应持续3h得到中间产物；
d、将中间产物先用去离子水洗至中性，然后再用乙醇清洗后，空气气氛下50℃干燥6h，得到聚吡咯均匀包覆的聚吡咯-聚苯乙烯球；
e、将聚吡咯-聚苯乙烯球浸泡于四氢呋喃中10h，然后经离心，将离心后所得产物在空气气氛下50℃干燥6h得到中空聚吡咯球；
3)将得到的中空聚吡咯球置于瓷舟中，在氮气气氛下真空930℃热处理1.5h后，使其自然冷却到室温即得到直径为200-400nm壁厚为15nm的尺寸规整的中空微米碳球。
本发明制备的中空碳球的扫描电镜(SEM)照片和X射线能谱(EDX)分析结果分别见图1A-B。
实施例2、制备壁厚约为35nm的中空碳球：
1)200-400nm聚苯乙烯微球的制备同实施例1；
2)中空聚苯胺球的制备；
a、称取1g聚苯乙烯球于50ml水中，超声30分钟使其充分分散得到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液；
b、量取2ml的苯胺单体加入到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液中，磁力搅拌条件下充分分散，得到苯胺单体/聚苯乙烯微米球混合体系；
c、将50ml浓度为1.1M过硫酸铵溶液以14ml/h的滴加速率缓慢滴加到苯胺单体/聚苯乙烯微米球混合体系中，滴加结束后反应持续4.5h得到中间产物；
d、将中间产物先用去离子水洗至中性，然后再用乙醇清洗后，空气气氛下65℃干燥8h，得到聚苯胺均匀包覆的聚苯胺-聚苯乙烯球；
e、将聚苯胺-聚苯乙烯球浸泡于四氢呋喃中25h，然后经离心，将离心后所得产物在空气气氛下65℃干燥8zh得到中空聚苯胺球；
3)将得到的中空聚苯胺球置于瓷舟中，在氮气气氛下真空750℃热处理2h后，使其自然冷却到室温即得到直径为200-400nm壁厚为35nm的尺寸规整的中空微米碳球。
实施例3、制备壁厚约为50nm的中空碳球：
1)200-400nm聚苯乙烯微球的制备同实施例1；
2)中空聚噻吩球的制备；
a、称取1g聚苯乙烯球于50ml水中，超声30分钟使其充分分散得到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液；
b、量取2.85ml的噻吩单体加入到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液中，磁力搅拌条件下充分分散，得到噻吩单体/聚苯乙烯微米球混合体系；
c、将94.4ml浓度为1.5M三氯化铁溶液以20ml/h的滴加速率缓慢滴加到噻吩单体/聚苯乙烯微米球混合体系中，滴加结束后反应持续6h得到中间产物；
d、将中间产物先用去离子水洗至中性，然后再用乙醇清洗后，空气气氛下80℃干燥10h，得到聚噻吩均匀包覆的聚噻吩-聚苯乙烯球；
e、将聚噻吩-聚苯乙烯球浸泡于四氢呋喃中40h，然后经离心，将离心后所得产物在空气气氛下80℃干燥10h得到中空聚噻吩球；
3)将得到的中空聚噻吩球置于瓷舟中，在氮气气氛下真空1100℃热处理4.5h后，使其自然冷却到室温即得到直径为200-400nm壁厚为50nm的尺寸规整的中空微米碳球。
Claims (1)
1、一种尺寸规整的中空微米碳球的制备方法，其具体步骤如下：
1)中空导电高聚物球的制备；
a、按每50ml水加入1克聚苯乙烯微米球的比例，将聚苯乙烯微米球加入水中，超声30分钟使其充分分散得到分散有聚苯乙烯微米球的水溶液；
b、将导电高聚物单体加入分散有聚苯乙烯微米球的水溶液中，磁力搅拌条件下充分分散，得到导电高聚物单体/聚苯乙烯微米球混合体系；
所述导电高聚物单体与聚苯乙烯微米球的质量比为0.5-3；
所述导电高聚物单体为苯胺、吡咯或噻吩；
c、将氧化剂溶液以一定的滴加速率缓慢滴加到导电高聚物单体/聚苯乙烯微米球混合体系中，滴加结束后反应持续3-6h得到中间产物；
所述氧化剂溶液为三氯化铁或过硫酸铵溶液；
所述氧化剂溶液浓度为0.7-1.5M；
所述氧化剂溶液的滴加速率为7-20ml/h；
所述氧化剂与导电高聚物单体摩尔比为1-4；
d、将中间产物先用去离子水洗至中性，然后再用乙醇清洗后，空气气氛下50-80℃干燥6-10h，得到导电高聚物均匀包覆的导电高聚物-聚苯乙烯球；
e、将导电高聚物均匀包覆的导电高聚物-聚苯乙烯球浸泡于四氢呋喃中10-40h，然后经离心，将离心后所得产物在空气气氛下50-80℃干燥6-10h得到中空导电高聚物球；
2)将得到的中空导电高聚物球置于瓷舟中，在氮气气氛下真空热处理1.5-4.5h后，再自然冷却到室温，即得到直径为200-400nm壁厚为10-50nm的尺寸规整的中空微米碳球；所述热处理温度为750-1100℃；
所述聚苯乙烯微米球的制备如下：
a、将苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体溶于去离子水中，在机械搅拌下充分分散，得到含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系；
所述苯乙烯单体、甲基丙烯酸单体与去离子水的体积比为18：2：140；
b、将过硫酸钠充分溶于去离子水中，得到浓度为0.04M的过硫酸钠溶液；
c、将过硫酸钠溶液加入含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系中，机械搅拌20分钟后，再加热到80℃，80℃下持续12h，得到白色悬浮液；
所述过硫酸钠溶液与含苯乙烯单体和甲基丙烯酸单体的混合体系的体积比为1：8；
d、离心白色悬浮液，将离心后得到的白色沉淀物在空气气氛下60℃干燥12h，得到聚苯乙烯微米球。
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