CN109225131A - 一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，首先将一定体积浓度的氨水、无水乙醇和去离子水混合；将混合溶液置于磁力搅拌器上搅拌；再向混合溶液中加入一定体积的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上，使溶液充分搅拌，此时二氧化硅球体制备完成。将盐酸多巴胺固体配制成一定浓度的溶液，并将该溶液逐滴加入上述混合溶液中，并置于磁力搅拌器上搅拌；然后将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤后，将固体置于干燥箱中干燥；再将固体在氮气环境下高温煅烧后，置于一定浓度的氢氟酸中蚀刻；最后再将蚀刻后的固体洗涤、干燥后即可得到氮掺杂纳米中空碳球。该制备方法简单，可操作性强，无污染，材料具有多孔性、丰富的孔道和比表面积大等优点，可作为电极材料应用于超级电容器中，同时可作为吸附剂用于吸附双酚A，体现了材料的多功能性。

Description

一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法
技术领域
本发明涉及一种纳米碳材料及其制备方法，特别是一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，属于纳米材料制备和电化学技术领域。
背景技术
随着经济快速地发展，人们生活水平不断的提高，其消费能力也逐渐扩大。长期以来，人们过度地将地球上的物质和能源开发出来，并在生产加工过程中消耗大量的能源，同时又在消费的过程中将“废物”大量地排放到环境中。这导致了环境污染和能源短缺与经济发展间的矛盾日益尖锐，并使其成为制约我国经济社会进一步发展的瓶颈，而且还将成为今后可持续发展的重要限制因素。因此，开发新能源和保护环境成为所有人关注的焦点，也是科研工作者的研究重心所在。
水是生命的源泉，是人类赖以生存和发展不可缺少的物质基础。但是随着经济的发展，水体不断地受到污染，尤其是饮用水水源的污染更是直接威胁到人们的身体健康。虽然各种有效的处理工艺被报道，但是针对饮用水这一特殊水体，传统的吸附工艺更安全。因此，针对饮用水水源中的污染物，开发具有针对性的吸附剂是最合理且有效的方法。众所周知，碳材料不仅被广泛地用作超级电容器电极材料，而且还是一种常用的吸附剂。但是传统的碳材料无论应用在超级电容器上还是饮用水处理工艺上，均存在一定的缺陷。纳米材料由于特殊的量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应和小尺寸效应等，从而呈现出独特的电学、磁学、热学和表面性质等特性。同时，中空的空间结构有利于溶液的储存和物质的快速扩散。因此，可分别针对不同用途设计一种或几种中空碳纳米材料，使其满足特殊的应用。
通常，中空碳纳米材料具有较大的比表面积、丰富的孔道和中空的内腔，因此能够有效地吸附水中或气体中的污染物，从而达到净化水体或气体的目的。Barberio等人分别考察了多壁碳纳米管对N2、H2、O2、CH4、C2H4和C2H6的吸附行为，并认为他们均符合一级动力学模型。中空碳纳米材料除了对气体有吸附作用外，还有大量的文献表明其可有效地去除重金属、无机非金属离子、天然有机物和有机农药、抗生素等。Li等人考察了多壁碳纳米管对水体中Pb2+、Cu2+和Cd2+的吸附，并证明了经硝酸酸化后的多壁碳纳米管由于其表面引入大量的羟基、羧基或羰基，使得多壁碳纳米管的吸附能力显著提高。
发明内容
本发明提出一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，目的在于制备出具有较大的比表面积、丰富的孔道、中空的内腔的纳米材料，作为高效吸附剂材料。
1.一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，包括以下工艺步骤：
(1)首先将一定体积的氨水、无水乙醇和去离子水混合，将混合溶液置于磁力搅拌器上进行搅拌；
(2)向混合溶液中加入一定体积的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上进行搅拌；
(3)然后将一定浓度体积的盐酸多巴胺溶液逐滴加入混合溶液中并置于磁力搅拌器上搅拌；
(4)再将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤干燥；
(5)最后将干燥后的固体在氮气环境下高温煅烧后，用一定浓度的氢氟酸蚀刻、洗涤干燥即可得到氮掺杂纳米中空碳球。
本发明的一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法还包括以下优选方案。
在本发明的优选的方案中，步骤(1)中氨水、无水乙醇和去离子水的体积分别为0.5-3、20-24和60-80mL。
在本发明的优选的方案中，步骤(2)中正硅酸乙酯的体积为0.5-3mL，磁力搅拌的时间为15-60min。
在本发明的优选的方案中，步骤(3)中盐酸多巴胺的浓度为20-50mg/mL，反应时间为12-48h。
在本发明的优选的方案中，步骤(4)中干燥温度为30-60℃，干燥时间为6-24h。
在本发明的优选的方案中，步骤(5)中氮气环境下煅烧温度为200-800℃，管式炉的升温速度为5-20℃/min。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：
(1)本发明提供的一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，工艺简单，容易应用于实际废水处理中。
(2)将自制的二氧化硅球体为基底材料，有效地增大了材料的比表面积，然后借助盐酸多巴胺的加入、煅烧和蚀刻过程，即得具有较大的比表面积、丰富的孔道、中空的内腔的纳米级中空碳球材料。
(3)所获得的氮掺杂纳米中空碳球能够作为高效的吸附剂，用来吸附水中的双酚A。与现有技术相比，本发明制备出的氮掺杂纳米中空碳球体现了材料的多功能性，属于环境友好型材料。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
制备一种氮掺杂纳米中空碳球，包括以下实施步骤：(1)首先将1、24、80mL 的氨水、无水乙醇和去离子水混合，将混合溶液置于磁力搅拌器上搅拌30min；(2)向混合溶液中加入1mL的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上搅拌15；(3)然后将浓度为50mg/mL 的盐酸多巴胺溶液逐滴加入混合溶液中并置于磁力搅拌器上搅拌36h；(4)再将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤,并在60℃下干燥12h；(5)最后将干燥后的固体在800℃氮气环境下煅烧2h，管式炉升温速度为5℃/min，煅烧后，用10％的氢氟酸蚀刻、洗涤干燥即可得到氮掺杂纳米中空碳球。
对比实施例1：
本实施例是上述实施例1的对比实施例之一。
本实施例中，加入氨水的体积为0.5mL，具体的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同。
对比实施例2：
本实施例是上述实施例1的对比实施例之二。
本实施例中，加入氨水的体积为2mL，具体的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同。
对比实施例3：
本实施例是上述实施例1的对比实施例之三。
本实施例中，加入氨水的体积为3mL，具体的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同。
实施例2
(1)首先将一定1、24、80mL的氨水、无水乙醇和去离子水混合，将混合溶液置于磁力搅拌器上搅拌30min；(2)向混合溶液中加入0.5mL的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上搅拌15；(3)然后将浓度为50mg/mL的盐酸多巴胺溶液逐滴加入混合溶液中并置于磁力搅拌器上搅拌36h；(4)再将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤,并在60℃下干燥12h；(5)最后将干燥后的固体在800℃氮气环境下煅烧2h，管式炉升温速度为5℃ /min，煅烧后，用10％的氢氟酸蚀刻、洗涤干燥即可得到氮掺杂纳米中空碳球。
对比实施例1：
本实施例是上述实施例2的对比实施例之一。
本实施例中，加入正硅酸乙酯的体积为1mL，具体的制备方法与实施例2中的制备方法基本相同。
对比实施例2：
本实施例是上述实施例2的对比实施例之二。
本实施例中，加入正硅酸乙酯的体积为2mL，具体的制备方法与实施例2中的制备方法基本相同。
对比实施例3：
本实施例是上述实施例2的对比实施例之三。
本实施例中，加入正硅酸乙酯的体积为3mL，具体的制备方法与实施例2中的制备方法基本相同。
实施例3
(1)首先将一定1、24、80mL的氨水、无水乙醇和去离子水混合，将混合溶液置于磁力搅拌器上搅拌30min；(2)向混合溶液中加入0.5mL的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上搅拌15；(3)然后将浓度为20mg/mL的盐酸多巴胺溶液逐滴加入混合溶液中并置于磁力搅拌器上搅拌36h；(4)再将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤,并在60℃下干燥12h；(5)最后将干燥后的固体在800℃氮气环境下煅烧2h，管式炉升温速度为5℃ /min，煅烧后，用10％的氢氟酸蚀刻、洗涤干燥即可得到氮掺杂纳米中空碳球。
对比实施例1：
本实施例是上述实施例3的对比实施例之一。
本实施例中，采用盐酸多巴胺的浓度为30mg/mL，具体的制备方法与实施例3 中的制备方法基本相同。
对比实施例2：
本实施例是上述实施例3的对比实施例之二。
本实施例中，采用盐酸多巴胺的浓度为40mg/mL，具体的制备方法与实施例3 中的制备方法基本相同。
对比实施例3：
本实施例是上述实施例3的对比实施例之三。
本实施例中，采用盐酸多巴胺的浓度为50mg/mL，具体的制备方法与实施例3 中的制备方法基本相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，包括以下工艺步骤：
（1）首先将一定体积的氨水、无水乙醇和去离子水混合，将混合溶液置于磁力搅拌器上进行搅拌；
（2）向混合溶液中加入一定体积的正硅酸乙酯，继续置于磁力搅拌器上进行搅拌；
（3）然后将一定浓度体积的盐酸多巴胺溶液逐滴加入混合溶液中并置于磁力搅拌器上搅拌；
（4）再将反应完成的溶液用高速离心机离心分离、洗涤干燥；
（5）最后将干燥后的固体在氮气环境下高温煅烧后，用一定浓度的氢氟酸蚀刻、洗涤干燥即可得到氮掺杂纳米中空碳球。
2.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述的0.5-3mL 25%的氨水、20-24mL无水乙醇和60-80mL去离子水借助磁力搅拌器搅拌15-60min得到稳定均一的溶液。
3.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的加入的正硅酸乙酯的体积为0.5-3mL。
4.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述的磁力搅拌器搅拌混合溶液的时间为5-35min。
5.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的盐酸多巴胺的浓度为20-50mg/mL。
6.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（3）所述的磁力搅拌器搅拌混合溶液的时间为12-48h。
7.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的离心分离的速度为5000-8000rpm，离心时间为2-8min。
8.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（4）所述的干燥温度为30-60℃，干燥时间为6-24h。
9.根据权利要求1所述的氮掺杂纳米中空碳球的制备方法，其特征在于，步骤（5）所述的氮气环境下高温煅烧的温度为200-800℃，管式炉的升温速度为5-20℃/min。
10.权利要求1所述的制备方法制备的氮掺杂纳米中空碳球，其特征在于，作为电极材料应用于制备超级电容器。
11.权利要求1所述的制备方法制备的氮掺杂纳米中空碳球，其特征在于，作为吸附剂应用于吸附双酚A。
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