[发明专利]一种聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球及其制备方法和应用。该路线采用聚丙烯腈(PAN)为原料，可挥发性油类如石油醚、煤油为空腔模板，基于非溶剂诱导相分离技术，成功制备了毫米级空心聚丙烯腈球，经预氧化、碳化获得了具有丰富孔结构、粒径均一、机械强度高、耐磨性良好的毫米级空心多孔炭球。与现有技术相比，本发明制备过程便捷，反应条件易于控制，成本低，可进行工业化生产。在工业催化、水体净化、油污吸附、盐水蒸发、血液灌流、低密度复合材料等领域，这些高性能的毫米级空心炭球有着不可替代的应用价值。

技术领域

本发明涉及功能性碳材料技术领域，尤其是涉及一种聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球及其制备方法和应用。

背景技术

空心多孔炭球，由于其特有的球型空腔结构以及丰富多样的壳结构，赋予其良好的封装能力，低的装填密度以及高的比表面积等，使得空心多孔炭球在工业催化、吸附、电化学能源存储与转化等领域有着广阔的应用前景。

目前主要以硬模板法和软模板法来制备空心多孔炭球，然而硬模板法存在制备路线复杂缺点。软模板存在产率低，团聚等劣势，这些方法难以放大，在工业规模进行生产应用。更重要地是，当前的空心多孔炭球大多为微纳尺寸，宏观表现为粉末状，这在很大程度上限制了空心多孔炭在实际生产中的应用。毫米级的空心炭球具备外形规整、强度高、耐磨耐腐蚀、流动性优异等特点，使其在医学、催化剂载体、油水分离等领域有着不可替代的应用价值，目前对毫米级空心多孔炭球的制备鲜有报道。Yao等人[Carbon 69(2014):25-31.]引入正硅酸乙酯作为空腔模板，该方案同样面临模板洗涤这一复杂操作。另外，该方法制备所得空心球球形度较差，粒径不均一，结构表面粗糙，容易掉粉，耐磨性较差。2016年，周建国、孙振龙等人[Advanced Functional Materials 26.29(2016):5368-5375.]首次了采用液-液相转换结合气体发泡的策略，制备了毫米级的空心炭球，该策略通过在原液中加入碳酸铵发泡剂，在加热时碳酸铵分解成二氧化碳和氨气，在球体内部形成大量孔。由于内部孔结构的不均匀，该发泡方法所制备的空心球强度不高。作者进一步引入碳纳米管来提高球体的强度。这也难免增加了成本，不利于工业化生产。因此，开发工艺简单，成本低廉，易于工业化生产的生产路线来是将毫米级空心多孔炭球推向市场应用的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有丰富孔结构、粒径均一、机械强度高、耐磨性良好的聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球及其制备方法和应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球的制备方法，该方法包括以下步骤：

a.制备聚丙烯腈/挥发性油乳浊液：

将聚丙烯腈粉末加入溶剂中，搅拌后，获得溶液A，向溶液A中加入挥发性油，再搅拌，即得到聚丙烯腈与挥发性油的混合乳液B，挥发性油形成油滴分散在乳液中；

b.制备凝固浴：

将水、醇和溶剂按一定比例混合，得到凝固浴；之所以要加入一定的溶剂，是可以减缓混合乳液B与凝固浴的相分离过程，这样有利于微球的孔道分布更加均匀，具有更高的强度；

c.制备毫米级空心聚丙烯腈球：

将乳浊液B滴落至凝固浴中，逐渐形成聚丙烯腈空心球，经过充分的溶剂交换并干燥后，即可获得毫米级空心聚丙烯腈球；

d.制备毫米级空心多孔炭球：

将干燥的毫米级空心聚丙烯腈球进行预氧化、碳化处理后，获得聚丙烯腈基毫米级空心多孔炭球。