CN104045074A

CN104045074A - 一种淀粉基多孔中空碳微球及其制备方法

Info

Publication number: CN104045074A
Application number: CN201410272106.7A
Authority: CN
Inventors: 李庆余; 张晓辉; 王红强; 张东材; 吴永生; 赖飞燕; 黄有国; 吴强
Original assignee: Guangxi Normal University
Current assignee: Guangxi Normal University
Priority date: 2014-06-18
Filing date: 2014-06-18
Publication date: 2014-09-17
Anticipated expiration: 2034-06-18
Also published as: CN104045074B

Abstract

本发明公开了一种淀粉基多孔中空碳微球及其制备方法，属于多孔碳素材料制备技术领域，以淀粉为前驱体，通过催化剂在前驱体中分散、碳化催化和金属催化剂的清洗，实现多孔碳微球的制备，该方法制备出的多孔碳微球为中空多孔结构，比表面积为300~1000m²/g，孔隙率40~70%，微球含有大量的纳米孔洞，孔径为5~200nm，本方法具有工艺简单、成本低、生产周期短、易于批量生产和催化剂可回收利用等特点，原料无污染、可再生、来源广泛，成本低、含碳量高。

Description

一种淀粉基多孔中空碳微球及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔碳素材料领域，具体涉及的是一种淀粉基多孔中空碳微球及其制备方法。

背景技术

自从发明富勒烯和纳米碳管以来，在世界范围内便开展了对碳素材料的全面研究。碳材料由于其优异的高导热、高耐热、良好化学惰性和高电导率等特点使其广泛应用于能源、化工、环保、电子和航空航天等诸多国民经济领域。不同形貌碳材料在许多方面有着潜在的应用价值，引起了广泛的关注。多孔碳微球具有独特的多孔球状结构，由于具有高度的化学稳定性、良好的耐高温性能、优异的导电导热性能、较大的比表面积、优异的机械性能和较低的密度，又由于其制备原料来源广泛、附加值高，已经被用作高密高强碳材料、超级电容器电极材料、锂离子电池负极材料和催化剂载体，另外，在药物控释等领域也获得广泛的应用，成为一种具有极大开发潜力和应用前景的碳材料，引起了人们极大的研究兴趣。

近年来，尺寸大小从纳米级到微米级和结构不同的多孔球形碳材料已经成功地通过不同的方法制备出来，如：模板法，电弧法、水热法和化学气相沉积等。然而，模板法制备多孔碳微球，工艺复杂，成本高，产量低，难以批量生产及推广应用；电弧法制备碳球，产量不高、制备工艺复杂、生产成本较高；水热法和化学气相沉积等方法存在成本过高、操作复杂、条件苛刻和产量低等缺点，制备的碳球粒径较小，不均一、分散性较差等诸多缺点，因而受到很大限制。

天然生物质材料具有来源广泛、环境友好，且一些生物质材料具有独特的形貌及碳质结构，近年来，利用生物质材料发展多孔碳得到了广泛的关注。淀粉是一种来源广泛、价格低廉的可再生天然有机碳源，采用一定的物理方法、化学方法和酶改性技术，可以对淀粉的分子结构、物理化学性质进行调变。近年来以价廉易得且物理化学性质可调变的淀粉为碳源的各种新结构的碳材料已经成功合成。大连理工大学的邱介山教授采用简单的预氧化和炭化两步法制备具有分级孔微米级磁性炭微球（申请号：201210044961.3）。本课题组在先前的研究中也以淀粉为碳源合成了各种淀粉基碳材料，以改性后的淀粉为碳源，采用碳化法制备得到了微米级多孔碳微球（专利号：200710050549）。

发明内容

本发明提供了一种淀粉基多孔中空碳微球及其制备方法，本发明的淀粉基多孔中空碳微球是一种孔隙率高、孔径均匀、具有纳米孔洞结构，本发明以淀粉为前驱体，通过催化剂在前驱体中分散、碳化催化和金属催化剂的清洗，实现多孔碳微球的制备，本方法具有工艺简单、成本低、生产周期短、易于批量生产和催化剂可回收利用等特点，原料无污染、可再生、来源广泛，成本低、含碳量高。

本发明制备的淀粉基多孔中空碳微球材料是通过碳化催化的方法实现的，首先使催化剂和淀粉均匀混合，形成前驱体，然后经催化石墨化，形成中空碳微球，最后经酸化清洗掉催化剂，得到多孔中空的碳微球。

本发明具体的技术方案是一种淀粉基多孔中空碳微球，所述的碳微球的外形为球形，颗粒的粒径大小为0.5~30μm，比表面积为300~1000m²/g，孔隙率40~70%，微球含有大量的纳米孔洞，孔径为5~200nm。

一种淀粉基多孔中空碳微球的制备方法，其特征是具体步骤如下：

1）将比例催化剂溶解在水中，加入淀粉，在水浴条件下搅拌混合后烘干，得到前驱体粉末；

2）将前驱体粉末在氮气保护气氛中焙烧碳化，然后催化石墨化，得到催化金属附着的中空碳微球复合材料；

3)以盐酸反复清洗步骤2）所述的中空碳微球复合材料，去除复合材料中的金属镍，烘干后，得到多孔中空碳微球。

上述步骤1）所述的催化剂为有机镍盐，镍与淀粉的质量比为0.5:1~0.01:1，水与淀粉的质量比为0.01:1~1:1。

上述步骤2）所述的前驱体的焙烧温度为700~1200℃，保温时间为2~16h，升温数率为0.1~10℃/min。

本发明的有益效果是通过碳化催化法制备淀粉基多孔中空碳微球材料，产物孔隙率高、孔径均匀，材料粒径、孔隙率和孔径大小还可以通过调节催化剂用量和焙烧温度等条件加以控制，制备工艺简单、成本低、生产周期短而且易于批量生产，原料来源丰富，催化剂可重复利用而且损耗小，过程节能环保。

附图说明

图1是本发明提供的碳化催化法制备的淀粉基多孔中空炭微球材料的SEM图。

其中1碳微球 2 纳米孔洞 3 中空结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但不是对本发明的限制。

实施例1:

一种淀粉基多孔中空碳微球，所述的碳微球的外形为球形，颗粒的粒径大小为0.5~30μm，比表面积为300~1000m²/g，孔隙率40~70%，微球含有大量的纳米孔洞，孔径为5~200nm。

一种淀粉基多孔中空碳微球的制备方法，具体步骤如下：

1）按镍与淀粉的质量比为0.5~0.01，水与淀粉的质量比为0.01~1的比例，将有机镍盐溶解在水中，加入淀粉，在恒温水浴条件下，搅拌混合有机镍盐和淀粉，40℃烘干，得到前驱体粉末；

3）以盐酸反复清洗制备的复合材料，去除复合材料中的金属镍，烘干后，得到多孔中空碳微球。

实施例2：

一种淀粉基多孔中空碳微球的制备方法，具体步骤如下：

1）按有机镍盐与淀粉的质量比为1~1，水与淀粉的质量比为1~1的比例，将有机镍盐溶解在水中，加入淀粉，在恒温水浴条件下，搅拌混合有机镍盐和淀粉，40℃烘干，得到前驱体粉末；

Claims

1.一种淀粉基多孔中空碳微球，其特征在于颗粒的粒径大小为0.5~30μm，比表面积为300~1000m²/g，孔隙率40~70%，微球含有大量的纳米孔洞，孔径为5~200nm。

2.根据权利要求1所述的一种淀粉基多孔中空碳微球的制备方法，其特征是具体步骤如下：

1）按比例将催化剂溶解在水中，加入淀粉，在水浴条件下搅拌混合后烘干，得到前驱体粉末；

3）用盐酸反复清洗步骤2）所述的中空碳微球复合材料，去除复合材料中的金属镍，烘干后，得到多孔中空碳微球。

3.根据权利要求2所述的多孔中空碳微球的制备方法，其特征在于步骤1）所述的催化剂为有机镍盐，镍与淀粉的质量比为0.5:1~0.01:1，水与淀粉的质量比为0.01:1~1:1。

4.根据权利要求2所述的多孔中空碳微球的制备方法，其特征在于步骤2）所述的前驱体的焙烧温度为700~1200℃，保温时间为2~16h，升温数率为0.1~10℃/min。