[发明专利]中空炭材料的制备方法及其产品

说明书

技术领域

本发明涉及碳材料的技术领域，尤其涉及一种新型中空炭材料的制备方法及其产品。

背景技术

在过去的几十年里，由于在催化、能源储存与转化、吸附等方面的广泛应用，炭材料的制备得到了长足的发展。其中，中空炭材料由于具有独特的优势，包括特殊的核壳结构、良好的化学和热力学稳定性、高的比表面积和低的密度，因而受到广大科学工作者的关注，可以用来作为催化剂载体，吸附剂材料，超级电容器、燃料电池和锂离子电池的电极材料。到目前为止，其合成方法主要有以下三种：硬模板法、软模板法和水热合成法。用硬模板法合成中空炭材料，被认为是最直接和最有效的方法，但是该过程制备的周期长，需要用到腐蚀性的酸(如HF)来除模板，存在安全隐患并且对环境有害，因此无法大规模推广使用。而软模板的方法，制备周期短、过程简单，因此得到大力的研究和发展。水热合成法，利用水做溶剂，生物质原料做碳源，生产成本低，且反应条件温和，符合绿色化学和可持续发展的要求。将水热合成法与软模板法相结合，能够结合二者的优势，效率更高。

制备中空炭材料的过程中，碳源发挥着很重要的作用，不仅决定着制备的难易程度，而且影响着产品的理化性质和形貌。然而，大多数情况下，生物质碳源与模板间的相互作用难以克服水热高温并且软模板本身在水热高温下的强烈变化，导致碳源无法在模板上成核生长或是形成大小形貌很不均一的结构。幸运的是，有以下二种方法可以解决此问题：(1)通过对模板进行选择性官能化：形成相对稳定，大小均一的混合胶束；(2)通过选择合适的碳源：碳源成核生长包裹到模板上，得到相应的产品。常用的碳源有，酚醛树脂、乙烯、聚丙烯腈、聚苯胺等，这些都很容易与模板发生强相互作用。但是，这些原料基本上都是有毒物质，对操作者和环境都有害，考虑到绿色化学和可持续发展的要求，来源广泛的生物质原料(如草、纤维素、木质素、葡萄糖等)，引起了人们极大的兴趣。它们不仅可再生，价格便宜，而且炭的产率较高。然而，从生物质原料出发，合成的炭材料，大部分是块状炭材料，没有中空腔的结构。因此，从生物质原料出发，用一种简单有效的方法制备得到中空炭材料，是一个很有意义的挑战。

发明内容

本发明提供了一种新型中空炭材料的制备方法，将水热法与软模板法相结合，首次通过调控碳水化合物的种类，制备得到不同形貌的中空炭材料。制备方法简单、可控，适合工业化生产。

一种新型中空炭材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)将非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂与水混合，得到溶液Ⅰ，将碳水化合物与水混合得到溶液Ⅱ；

所述的非离子表面活性剂包括嵌段共聚物P123和/或F127；

所述的阴离子表面活性剂包括硬脂酸钠、油酸钠、十二烷基磺酸钠、十二烷基硫酸钠等中的至少一种；

所述的碳水化合物包括五碳糖或六碳糖；

(2)将溶液Ⅰ和溶液Ⅱ混合均匀，经水热反应及后处理得到前驱体；

(3)步骤(2)得到的前驱体经煅烧后得到所述的中空炭材料。

本发明利用特定的非离子表面活性剂和阴离子表面活性剂组成的混合胶束作模板，该混合胶束与碳水化合物之间具有强的氢键作用，可以实现碳水化合物的自组装，得到大小均匀的中空炭材料。

作为优选，步骤(1)中，所述非离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为0.8～2；

所述溶液Ⅰ中，阴离子表面活性剂的质量浓度为2～5g/L。

作为优选，步骤(1)中，所述溶液Ⅱ中碳水化合物的质量浓度为120～200g/L。

作为优选，所述的六碳糖包括葡萄糖或果糖；五碳糖包括木糖、核糖或阿拉伯糖。

进一步优选，所述的非离子表面活性剂为嵌段共聚物P123，所述的阴离子表面活性剂为油酸钠；离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为2:1；所述溶液Ⅰ中，阴离子表面活性剂的质量浓度为2.5g/L；所述溶液Ⅱ中碳水化合物的质量浓度为167g/L。

作为优选，步骤(2)中，所述溶液Ⅰ和溶液Ⅱ的体积比为1:1；水热反应的温度为130～200℃，时间为4～48h。进一步优选，水热反应的温度为160℃，时间为24h。

作为优选，步骤(3)中，所述煅烧的温度为600～1000℃，时间为1～6h。进一步优选，所述煅烧的温度为1000℃，升温速率为10℃/min。

本发明还公开了根据上述的方法制备的中空炭材料。

当所述的碳水化合物为五碳糖时，制备得到的中空炭材料具有特殊的球拍状的形貌，为本发明首次制备得到的新形貌；