[发明专利]一种空心碳球及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种空心碳球及其制备方法和应用，先配制包含树脂单体、表面活性剂、氨、水、醇的溶液，再将正硅酸酯加入溶液中，正硅酸酯水解，制备得到二氧化硅悬浮液；将甲醛溶液加入二氧化硅悬浮液中，聚合反应，制备得到二氧化硅‑树脂复合球；将二氧化硅‑树脂复合球煅烧，制备得到二氧化硅‑碳复合球；将二氧化硅‑碳复合球中的二氧化硅通过酸或碱去除，制备得到空心碳球。本发明通过一步合成了二氧化硅‑树脂复合球，即将二氧化硅的合成和树脂包覆过程合并在一起，解决了现有技术两步法步骤繁琐，需要精细调控的问题。制备得到的空心碳球具有可控壁厚、大孔容和大比表面积。

技术领域

本发明属于碳球技术领域，具体涉及一种空心碳球及其制备方法和应用。

背景技术

现有技术中，在利用硬模板法合成空心碳球的方法步骤为：第一，利用正硅酸乙酯水解合成制备出单分散性好的二氧化硅球；第二，将分离洗涤干净的二氧化硅球通过超声的方法均匀地分散在溶液中，并通过前驱体的聚合对二氧化硅进行包覆。第三，将获得的树脂包覆二氧化硅球分离洗涤烘干后，进行高温碳化，从而得到碳包覆二氧化硅球。第四，利用酸或者碱去除二氧化硅模板，分离洗涤烘干后得到空心碳球。现有合成多孔空心碳球的合成制备过程中存在着一些不足，例如，二氧化硅模板的制备与有机物包覆成球过程是分步进行的。为了纯化模板，还需要经历额外的洗涤、分离过程。在包覆过程前，还需要对模板进行超声处理，使其均匀分散。在包覆过程中，表面活性剂以及反应物需要分多步骤进行加入，步骤繁琐，需要极为精细地调控。此外，现有技术合成的空心碳球的壁厚比较大，而且不均匀。

发明内容

本发明针对上述不足，提出一种空心碳球的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

(1)先配制包含树脂单体、表面活性剂、氨、水和醇的溶液A，再将正硅酸酯加入所述溶液A中，记为溶液B，正硅酸酯水解，制备得到二氧化硅悬浮液；

(2)将甲醛溶液加入步骤(1)的二氧化硅悬浮液中，聚合反应，制备得到二氧化硅-树脂复合球；

(3)将步骤(2)的二氧化硅-树脂复合球煅烧，制备得到二氧化硅-碳复合球；

(4)将步骤(3)的二氧化硅-碳复合球中的二氧化硅通过酸或碱去除，制备得到所述空心碳球。

根据本发明的制备方法，步骤(1)溶液A中，所述树脂单体选自邻苯二酚、邻苯二胺、间苯二胺、间苯二酚、间氨基苯酚和邻氨基苯酚中的至少一种；所述溶液A中树脂单体的摩尔浓度为0.005mol/L～0.1mol/L，优选溶液A中树脂单体的摩尔浓度为0.01mol/L～0.08mol/L，例如，摩尔浓度可以为0.025、0.05、0.075mol/L。

根据本发明的制备方法，步骤(1)溶液A中，所述表面活性剂选自聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(如F127、F123)、三乙烯四胺、十六胺、十六烷基三甲基溴化铵和十六烷基三甲基氯化铵等中的一种、两种或更多种；所述表面活性剂优选为十六烷基三甲基溴化铵和/或十六烷基三甲基氯化铵。所述表面活性剂的质量分数为0.01％～10％，优选0.02％～1％，示例性地，质量分数为0.02％。

根据本发明的制备方法，步骤(1)溶液A中，所述醇为乙醇、丙醇和丁醇中的至少一种；所述醇和水的体积比为1:7～4:1，例如2:5、1:3，1:1，2:1。

根据本发明的制备方法，步骤(1)溶液A中氨的质量分数为0.01％～0.5％，优选0.01％～0.05％，例如氨的质量分数为0.01％。所述氨可以以氨水或氨气的形式加入溶液A中。

根据本发明的制备方法，步骤(1)溶液B中，所述正硅酸酯选自正硅酸甲酯、正硅酸乙酯和正硅酸丙酯中的至少一种；所述正硅酸酯在溶液B中的质量分数为1％～20％；例如3％，5％，7％，10％，15％。所述溶液B的温度保持在15℃～60℃(优选40-60℃)，正硅酸酯水解的时间为1h～24h(优选1-2h)，此过程中正硅酸酯水解生成二氧化硅球，所述水解过程优选伴随搅拌。