[发明专利]一种不同形貌的氮掺杂炭球的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂炭球的制备方法，尤其涉及一种利用微流体技术制备不同形貌的氮掺杂炭球的方法。

背景技术

核-壳结构材料是指内层的核结构表面有一层或多层相同或不同材料的壳层组成的复合材料，核壳结构炭球作为其中的一种，由于核-壳结构材料的高比表面积和孔体积，低密度，可分别对壳层和核层进行功能化等特点使其具有一系列显著的应用，如可用于气体吸附和存储、作为催化剂载体和电极材料等方面。氮掺杂的炭材料由于氮的存在提高了炭材料的碱度和表面亲水性，在CO₂、SO₂等酸性气体的吸附方面有广阔前景。

制备核壳结构炭球的方法有很多，主要包括：化学法、气相沉积法、热解法、微流体技术等方法。

化学法中包含化学氧化聚合法，Zhang等利用三步法制备了氮掺杂的中空炭球，首先利用化学氧化聚合法将混合物乳液聚合形成核壳结构粒子，接着用喷雾干燥器将上述乳胶核壳离子干燥，再在500～800℃氮气中炭化。利用该方法制备的中空炭球中同时存在微孔、中孔和大孔，孔径分布为2～110nm，比表面积介于450～583m²/g之间(A novel N-doped porous carbon microspheres composed of hollow carbon nanospheres)。虽然该方法可以制备炭球，但炭球形貌较单一且孔径分布较宽。CN 104810161A报道了一种利用水热法制备聚苯胺前驱体，通过炭化得到氮氧掺杂的粒径为500～800nm的中空炭纳米球，其中氮含量为4～8at％，氧含量为6～11at％。

气相沉积法制备核壳炭球是一种常规方法。Jeon等利用氢化物气相沉积法制备了粒径为100～583μm的核壳结构炭球，内部是无定型态炭材料。该法制备炭球包括两步：首先利用原料气流经混合原料的HCl等化合物经过1000℃的高温反应器，通过原子凝结形成炭球形貌，接着通过自由键结合作用在炭球前驱体上吸附碳原子，形成炭球，其中NH₃、Ga和Al的混合物作为原料，在1095℃生长3h。该方法可以制备炭球，但粒径分布范围大，对温度的要求要苛刻。(Carbon Microspheres Grown by Using Hydride Vapor Phase Epitaxy)。Konicki等以介孔的SiO₂作为模板剂利用气相沉积法成功制备出中空介孔炭纳米球。将TEOS溶于乙醇和氨水的混合溶液中，搅拌24h后，通过蒸发将产物进行分离。为制备出多孔壳层的SiO₂@m-SiO₂核壳微球，将二氧化硅球加入到含有水、十六烷基三甲基溴化铵、乙醇和氨水的混合液中，并超声得到均相溶液。加入正硅酸四乙酯并于室温下搅拌12h，即可得到SiO₂@m-SiO₂核壳微球，对其后处理后放入浓的氢氟酸中放置24h后即可除去核层的SiO₂。该方法制备了中空的炭纳米球，SiO₂的去除较困难，且不可重复利用(Application of hollow mesoporous carbon nanospheres as an higheffective adsorbent for the fast removal of acid dyes from aqueoussolutions)。

Hong等利用锌盐和锡盐以及聚乙烯吡咯烷酮通过一步法喷雾热解制备核壳结构Zn₂SnO₄-炭复合微球，其中碳含量可控且不需要进一步的热处理。液滴干燥过程中PVP转移到复合微球的表面，金属盐融化过程中的相分离形成了致密的核层结构。复合微球的孔径介于7～11nm(Formation of core–shell-structuredZn₂SnO₄–carbon microspheres with superiorelectrochemical properties by one-potspray pyrolysis)。