CN102020268B - 一种碳中空球及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种碳中空球及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：1)苯乙烯类化合物在溶有引发剂和稳定剂的二氧化硅球分散液中进行聚合反应得到外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球；2)所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球经过磺化反应得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球；3)将所述外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球进行烧结得到外层包覆有碳层的二氧化硅球；4)所述外层包覆有碳层的二氧化硅球与碱或酸反应即得所述碳中空球。本发明提供的制备方法使用的模板球价廉易得，制备工艺简单，易于工业化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳中空球及其制备方法，属于纳米中空球体材料制备领域。
背景技术
碳中空球是一类具有特殊结构的功能材料，在能源、催化、医疗等领域均有着广泛的应用。近年来，随着锂离子电池在便携式电子产品、电动汽车和即插式混合电动车中研究的日益深入，人们发现碳中空球不但可作为多种电池活性物质的导电载体，还可直接作为电极活性物质使用，因而对其投以广泛的关注。目前，碳中空球的化学制备主要是采用模板法和无模板法进行，模板法主要采用具有可碳化壳层的核壳结构复合球，通过高温烧结使壳层部分裂解成碳并除核形成中空结构，此类方法通常需要昂贵的模板球，过程复杂产率低下，难以工业化生产，而无模板法主要通过金属和含碳溶剂的热还原法来制备，此类方法对反应条件要求苛刻，并且对产物结构形貌的控制力较差。
基于以上原因，本方法提出碳中空球及其制备方法，该方法采用价廉易得的无机模板球为原料，通过简单的工艺即可得到形貌尺寸均一可控的碳中空球，具有很强的实用性，并可用于工业化生产。
综上所述，需要提供一种原料廉价易得、具有实用性、适于工业化生产且能得到形貌尺寸均一的碳中空球的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种形貌尺寸均一的碳中空球及其制备方法。
本发明提供的碳中空球的制备方法，包括如下步骤：
1)苯乙烯类化合物在溶有引发剂和稳定剂的二氧化硅球分散液中进行聚合反应得到外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球；
2)所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球经过磺化反应得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球；
3)将所述外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球进行烧结得到外层包覆有碳层的二氧化硅球；
4)所述外层包覆有碳层的二氧化硅球与碱或酸反应即得所述碳中空球。
上述的制备方法中，步骤1)所述苯乙烯类化合物为苯乙烯和二乙烯基苯中至少一种；所述二氧化硅球为单分散二氧化硅球；所述二氧化硅球的直径为150nm-1000nm，如220nm、300nm或1000nm。
上述的制备方法中，步骤1)所述二氧化硅球可通过包括以下步骤的方法制备：正硅酸乙酯在氨水的作用下发生水解反应即得所述二氧化硅球；所述水解反应的溶剂可为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、乙二醇，以及其它极性醇类溶剂；所述正硅酸乙酯、氨水与溶剂的体积份数比可为1∶(1-5)∶(3-20)，如1∶2∶12、1∶3.6∶19.4、1∶1∶3；所述水解反应的温度可为25℃-40℃，如25℃或30℃；所述水解反应的时间可为3小时-12小时，如4小时、6小时或12小时。
上述的制备方法中，步骤1)所述引发剂可为2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐；所述稳定剂可为聚乙烯吡咯烷酮，其重均分子量可为350,000g/mol-600,000g/mol；步骤1)所述聚合反应的溶剂可为水。
上述的制备方法中，步骤1)所述聚合反应的温度可为60℃-80℃，如60℃或80℃；所述聚合反应的时间可为6小时-48小时，如12小时或48小时。
上述的制备方法中，步骤1)所述二氧化硅球分散液中所述二氧化硅球的质量-体积浓度可为1mg/mL-100mg/mL，如10mg/mL、12mg/mL或16mg/mL；所述二氧化硅球分散液中所述引发剂和稳定剂的摩尔浓度分别可为1mmol/L-80mmol/L，如7.37mmol/L、19.17mmol/L或36.87mmol/L和0.02mmol/L-50mmol/L，如0.03mmol/L、0.0333mmol/L或0.0857mol/L；所述苯乙烯类化合物的摩尔浓度可为1mmol/L-50mmol/L，如38.4mmol/L或48.01mmol/L。
上述的制备方法中，步骤2)所述磺化反应的磺化剂可为浓硫酸、焦硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸和氨基磺酸中至少一种；所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与所述磺化剂的质量份数比可为1∶(10-30)，如1∶10、1∶15或1∶20；所述磺化反应的温度可为0℃-150℃，如0℃、50或60℃；所述磺化反应的时间可为0.5小时-48小时，如0.5小时、4小时或48小时；所述磺化反应的终止剂可为水、乙醇、丙酮和四氢呋喃中至少一种。
上述的制备方法中，步骤3)所述烧结可在惰性气体中进行；所述惰性气体可为氮气、氩气或氦气中至少一种；所述烧结的温度可为400℃-1200℃，如600℃、900℃、或1200℃；所述烧结的时间可为2小时-10小时，如3小时、4小时或5小时。
上述的制备方法中，步骤4)所述碱可为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡和氨水中至少一种；所述酸可为氢氟酸；所述反应的温度可为30℃-50℃，如30℃或50℃；所述反应的时间为2小时-8小时，如4小时或8小时。
本发明提供的上述方法制备得到的碳中空球为单壳结构球，所述碳中空球的外径为100nm-1100nm，壁厚为10nm-1000nm，碳晶型为无定型或石墨型，空腔体积为整个中空球体积的10％-90％；所述碳中空球具有介孔(孔径2-50nm)及微孔结构(孔径＜2nm)，介孔平均孔径为3-10nm，微孔平均孔径为0.2-0.8nm；所述碳中空球的介孔和微孔总孔容为0.1-4.0cm3/g，其中，介孔孔容为0.04-1.5cm3/g，微孔孔容为0.05-3.5cm3/g；所述碳中空球的总比表面积为400-1500cm3/g，电导率为0.01-100S/cm。
本发明的碳中空球的制备方法，使用的模板球价廉易得，制备工艺简单，易于工业化生产。
附图说明
图1是本发明实施例2制备的二氧化硅球的扫描电镜照片。
图2是本发明实施例2制备的外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球的扫描电镜照片。
图3是本发明实施例2制备的碳中空球的扫描电镜照片。
图4是本发明实施例2制备的碳中空球的透射电镜照片。
图5是本发明实施例2制备的碳中空球的X-ray谱图与拉曼光谱图。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
本发明下述实施例中所用2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐和聚乙烯吡咯烷酮分别购自Alfa Aldrich公司和国药集团化学试剂有限公司。
实施例1、碳中空球的制备
(1)二氧化硅球的制备
25℃下配制正硅酸乙酯的乙醇溶液(正硅酸乙酯与乙醇的体积份数比为1∶4)30mL与氨水的乙醇溶液(氨水与乙醇的体积份数比为1∶4)60mL(该体系中，正硅酸乙酯、氨水和乙醇的体积份数比为1∶2∶12)，在剧烈搅拌(搅拌速率1000r/min)下将2mL上述配制的正硅酸乙酯的乙醇溶液加入到上述配制的氨水的乙醇溶液中，并剧烈搅拌(搅拌速率1000r/min)10分钟，之后在较低转速(搅拌速率800r/min)下将上述配制的剩余正硅酸乙酯的乙醇溶液加入到上述配制的氨水的乙醇溶液中，并维持搅拌(搅拌速率800r/min)4h。反应结束后，离心水洗3次烘干收集粉体得到粉体为平均直径300nm的单分散二氧化硅球。
(2)外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向50mL溶有260mg 2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐以及1.5g聚乙烯吡咯烷酮(Mw＝350,000g/mol)的去离子水中加入800mg步骤(1)制备的平均直径为300nm的二氧化硅球(其中，二氧化硅球的质量-体积浓度为16mg/mL，2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔浓度分别为19.17mmol/L和0.0857mmol/L)，并超声分散0.5h使之分散均匀，随后在低速搅拌(搅拌速率400r/min)下向其中滴加200mg苯乙烯单体(该体系中，苯乙烯单体的摩尔浓度为38.40mmol/L)，待滴加结束后升高搅拌速率至800r/min并升温至80℃，随后持续搅拌反应12h，待反应结束后将温度降回室温并离心(离心转速8000r/min)水洗4次，便可得到1.0g外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中包覆的聚苯乙烯层的厚度为30nm。
(3)外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向1.0g步骤(2)制备的外层包覆有聚苯乙烯层厚度为30nm的二氧化硅球中加入10g浓硫酸(其中，外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与浓硫酸的质量份数比为1∶10)，随后在50℃下保温0.5h使聚苯乙烯层磺化完全，待反应完全后加入20mL四氢呋喃终止该磺化反应，离心水洗5次后于50℃下烘干，得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中包覆的磺化聚苯乙烯层的厚度为35nm。
(4)碳中空球的制备
将步骤(3)制备的外层包覆有磺化聚苯乙烯层的厚度为35nm的二氧化硅球在氩气流中加热至600℃(升温速率为5℃/min)并保温3h，随后将其投入2M NaOH水溶液中在50℃下加热4h并水洗离心5次去除二氧化硅内核，得到平均外径320nm，壳层平均厚度为20nm的碳中空球，该碳中空球的碳晶形为无定形，比表面积为1050cm3/g，总孔容为1.09cm3/g，其中介孔孔容为0.43cm3/g，微孔孔容为0.66cm3/g，电导率为6.4S/cm。
实施例2、碳中空球的制备
(1)二氧化硅球的制备
30℃下配制正硅酸乙酯的丙醇溶液(正硅酸乙酯与丙醇的体积份数比为1∶5)30mL与氨水的丙醇溶液(氨水与丙醇的体积份数比为1∶4)90mL(该体系中，正硅酸乙酯、氨水和丙醇的体积份数比为1∶3.6∶19.4)，在剧烈搅拌(搅拌速率1000r/min)下将5mL上述配制的正硅酸乙酯的丙醇溶液加入到上述配制的氨水的丙醇溶液中，并剧烈搅拌(搅拌速率1500r/min)20分钟，之后在较低转速(搅拌速率600r/min)下将上述配制的剩余正硅酸乙酯的丙醇溶液加入到上述配制的氨水的丙醇溶液中，并维持搅拌(搅拌速率600r/min)6h。之后离心水洗5次烘干收集粉体得到平均直径为220nm的单分散二氧化硅球。
图1为上述制备的单分散二氧化硅球的扫描电镜照片，由该照片可以看出，二氧化硅球的平均直径为220nm，且球体尺寸均一。
(2)外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向50mL溶有100mg 2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐以及0.75g聚乙烯吡咯烷酮(Mw＝500,000g/mol)的去离子水中加入500mg步骤(1)制备的平均直径为150nm的二氧化硅球(其中，二氧化硅球的质量-体积浓度为10mg/mL，2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔浓度分别为7.37mmol/L和0.03mmol/L)，并超声分散3h使之分散均匀，随后在低速搅拌(搅拌速率400r/min)下向其中滴加250mg苯乙烯单体(该体系中，苯乙烯单体的摩尔浓度为48.01mmol/L)，待滴加结束后升高搅拌速率至800r/min并升温至60℃，随后持续搅拌反应48h，待反应结束后将温度降回室温并离心(离心转速8000r/min)水洗3次，得到750mg外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中包覆的聚苯乙烯层的厚度为20nm。
图2为上述制备的外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球的扫描电镜照片，由该照片可以看出，包覆后二氧化硅球的平均直径为240nm，且球体表面光滑，球体尺寸均一，单分散性良好。
(3)外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向750mg步骤(2)制备的外层包覆有聚苯乙烯层厚度为20nm的二氧化硅球中加入15g发烟硫酸(其中，外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与发烟硫酸的质量份数比为1∶20)，随后在0℃下保温48h使聚苯乙烯层磺化完全，待反应完全后加入20mL去离子水终止磺化反应，离心水洗5次后于50℃下烘干，得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中，包覆的磺化聚苯乙烯层的厚度为25nm。
(4)碳中空球的制备
将步骤(3)制备的外层包覆有磺化聚苯乙烯层厚度为25nm的二氧化硅球在氩气流中加热至1200℃(升温速率为5℃/min)并保温5h，随后将其投入质量分数为10％的氢氟酸溶液中在40℃下加热4h并水洗离心5次去除二氧化硅内核，得到平均外径为235nm，壳层平均厚度为15nm的碳中空球，该碳中空球的碳晶形为无定形，比表面积为980cm3/g，总孔容为1.03cm3/g，其中介孔孔容为0.42cm3/g，微孔孔容为0.61cm3/g，电导率为6.2S/cm。
图3为本实施例制备的碳中空球的扫描电镜照片，由该照片可以看出，碳中空球平均外径为235nm，尺寸均一，球形完整。
图4为本实施例制备的碳中空球的透射电镜照片，由该照片可以看出，碳中空球的壳层厚度约为15nm。
图5为本实施例制备的碳中空球的X-ray谱图(左图)和拉曼谱图(右图)，由谱图可得到，该碳中空球的碳晶形为无定形。
实施例3、碳中空球的制备
(1)二氧化硅球的制备
30℃下配制正硅酸乙酯的正丁醇溶液(正硅酸乙酯与正丁醇的体积份数比为1∶1)40mL与氨水的正丁醇溶液(氨水与正丁醇的体积份数比为1∶2)60mL(该体系中，正硅酸乙酯、氨水和正丁醇的体积份数比为1∶1∶3)，在剧烈搅拌(搅拌速率1000r/min)下将1mL上述配制的正硅酸乙酯的正丁醇溶液加入到上述配制的氨水的正丁醇溶液中，并剧烈搅拌(搅拌速率1200r/min)10分钟，之后在较低转速(搅拌速率600r/min)下将上述配制的剩余正硅酸乙酯的正丁醇溶液加入到上述配制的氨水的正丁醇溶液中，并维持搅拌(搅拌速率1000r/min)12h。反应结束后，离心(离心转速8000r/min)水洗3次烘干收集粉体得到粉体为平均直径1000nm的单分散二氧化硅球。
(2)外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向50mL溶有500mg 2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐以及1.0g聚乙烯吡咯烷酮(Mw＝600,000g/mol)的去离子水中加入600mg步骤(1)制备的平均直径为1000nm的二氧化硅球(其中，二氧化硅球的质量-体积浓度为12mg/mL，2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐和聚乙烯吡咯烷酮的摩尔浓度分别为36.87mmol/L和0.0333mmol/L)，并超声分散2.5h使之分散均匀，随后在低速搅拌(搅拌速率400r/min)下向其中滴加200mg苯乙烯单体(该体系中，苯乙烯单体的摩尔浓度为38.40mmol/L)，待滴加结束后升高搅拌速率至800r/min并升温至80℃，随后持续搅拌反应12h，待反应结束后将温度降回室温并离心(离心转速8000r/min)水洗4次，得到800mg外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中包覆的聚苯乙烯层的厚度为100nm。
(3)外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球的制备
向800mg步骤(2)制备的外层包覆有聚苯乙烯层厚度为100nm的二氧化硅球中加入12g浓硫酸(其中，外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与浓硫酸的质量份数比为1∶15)，随后在60℃下保温4h使聚苯乙烯层磺化完全，待反应完全后加入20mL水终止该磺化反应，离心水洗5次后于50℃下烘干，得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球，其中包覆的磺化聚苯乙烯层的厚度为130nm。
(4)碳中空球的制备
将步骤(3)制备的外层包覆有磺化聚苯乙烯层的厚度为130nm的二氧化硅球在氩气流中加热至900℃(升温速率为4℃/min)并保温8h，随后将其投入15％氢氟酸水溶液中在50℃下加热8h并水洗离心5次去除二氧化硅内核，得到平均外径1070nm，壳层平均厚度为70nm的碳中空球，该碳中空球的碳晶形为无定形，比表面积为832.2cm3/g，总孔容为0.83cm3/g，其中介孔孔容为0.42cm3/g，微孔孔容为0.41cm3/g，电导率为1.4S/cm。
Claims (4)
1.一种碳中空球的制备方法，包括如下步骤：
1）苯乙烯类化合物在溶有引发剂和稳定剂的二氧化硅球分散液中进行聚合反应得到外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球；
2）所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球经过磺化反应得到外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球；
3）将所述外层包覆有磺化聚苯乙烯层的二氧化硅球进行烧结得到外层包覆有碳层的二氧化硅球；
4）所述外层包覆有碳层的二氧化硅球与碱或酸反应即得所述碳中空球；
步骤1）所述苯乙烯类化合物为苯乙烯和二乙烯基苯中至少一种；所述二氧化硅球为单分散二氧化硅球；所述二氧化硅球的直径为150nm-1000nm；
步骤1）所述引发剂为2,2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二盐酸盐；所述稳定剂为聚乙烯吡咯烷酮，所述聚乙烯吡咯烷酮的重均分子量为350,000g/mol-600,000g/mol；步骤1）所述聚合反应的溶剂为水；
步骤1）所述聚合反应的温度为60℃-80℃；所述聚合反应的时间为6小时-48小时；
步骤1）所述二氧化硅球分散液中所述二氧化硅球的质量-体积浓度为1mg/mL-100mg/mL；所述二氧化硅球分散液中所述引发剂和稳定剂的摩尔浓度分别为1mmol/L-80mmol/L和0.02mmol/L-50mmol/L；所述苯乙烯类化合物占所述分散液的摩尔浓度为1mmol/L-50mmol/L；
步骤2）所述磺化反应的磺化剂为浓硫酸、焦硫酸、发烟硫酸、三氧化硫、氯磺酸和氨基磺酸中至少一种；所述外层包覆有聚苯乙烯层的二氧化硅球与所述磺化剂的质量份数比为1：（10-30）；所述磺化反应的温度为0℃-150℃；所述磺化反应的时间为0.5小时-48小时；所述磺化反应的终止剂为水、乙醇、丙酮和四氢呋喃中至少一种。
2.根据权利要求1述的方法，其特征在于：步骤1）所述二氧化硅球是通过包括以下步骤的方法制备的：正硅酸乙酯在氨水的作用下发生水解反应即得所述二氧化硅球。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述水解反应的溶剂为甲醇、乙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇或乙二醇；所述正硅酸乙酯、氨水与溶剂的体积份数比为1：（1-5）：（3-20）；所述水解反应的温度为25℃-40℃；所述水解反应的时间为3小时-6小时。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤3）所述烧结在惰性气体中进行；所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中至少一种；所述烧结的温度为400℃-1200℃；所述烧结的时间为2小时-10小时；步骤4）所述碱为氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钡和氨水中至少一种；所述酸为氢氟酸。
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2011
- 2011-01-07 CN CN 201110002802 patent/CN102020268B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101323444A (zh) * | 2007-06-15 | 2008-12-17 | 中国科学院化学研究所 | 碳或碳复合中空球及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Zhibin Lei, et al.Graphitized carbon with hierarchical mesoporous structure templated from colloidal silica particles.《Microporous and Mesoporous Materials》.2007,第109卷 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102020268A (zh) | 2011-04-20 |
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