[发明专利]一种小尺寸碳球材料的制备方法及其应用

说明书

本申请公开了一种小尺寸改性碳球材料的制备方法，所述方法包括：对含有碳源、结构调控剂的水溶液进行水热反应，得到水热碳球材料；其中，所述结构调控剂为聚乙二醇、聚丙烯酸钠、柠檬酸、硬脂酸、软脂酸、十二烷基苯磺酸中的至少一种。再对水热碳球材料进行改性处理增加表面含氧官能团数量。该方法通过选择适当的结构调控剂，利用简单的水热反应及改性处理制备出了粒径为50～200nm的小尺寸改性碳球材料。

技术领域

本申请涉及一种小尺寸碳球材料的制备方法及其应用，属于纳米材料技术领域。

背景技术

水热碳球化学性质稳定、热稳定性好，具有优良的导电性及热稳定性。其中，小尺寸碳球质量轻、比表面积大，在实际应用中能发挥更大优势。而且随着碳球尺寸的减小，比表面积增大，传输路径缩短，性能更佳。采用葡萄糖水溶液制备单分散胶体纳米球的过程中未使用毒性试剂，这确保了制备好的纳米碳球无毒，同时相比于传统的化学气相沉积、高温碳化、电弧放电法，水热制备碳球法更加绿色环保。但是，在葡萄糖水热制备碳球的过程中，受表面能控制影响，在水热过程中很难稳定均匀的保持在小尺寸状态，因此目前采用水热法合成的碳球尺寸较大，直径一般在300nm～10μm之间。

充分的实验证明，对水热碳球进行适当改性后，可以使其表面含氧官能团数量增加，负电荷增加，从而能更多的附着金属离子。可以作为吸附剂有效吸附重金属离子，当作为模板剂时，可使最终形成的空心球壳层厚度增加、强度增大，有利于空心球的实际应用，还可以通过静电作用有效负载贵金属应用于催化领域。

当采用碳球材料时，对其改性研究的探讨较少。如文献DOI:10.1002/anie.200352386中Sun和Li等首次采用水热法合成150到1500nm尺寸的碳球，其粒径分布及颗粒粒径均较大。在文献DOI:10.1002/anie.200353212中，当采用碳球作为硬模板，合成Ga₂O₃及GaN空心球时，未探讨碳球模板改性对空心球形貌的影响。文献DOI:10.1002/ange.201004900中Lai和Wang等采用糖乳液聚合反应形成碳球，其尺寸达到2μm以上，且尺寸大小不均，未做改性处理。

因此，如何采用简单的水热法可控制备小尺寸尤其是50～200nm的碳球仍然是技术难题，同时采用何种方式对其进行改性，能使金属离子更多的附着于碳球表面，扩大碳球应用范围，是需要进一步解决的问题。

发明内容

根据本申请的第一个方面，提供一种碳球材料的制备方法，该方法通过选择适当的结构调控剂，利用简单得水热反应制备出了粒径为50～200nm的碳球材料。

一种碳球材料的制备方法，包括：

对含有碳源、结构调控剂的水溶液进行水热反应，得到碳球材料；

其中，所述结构调控剂为聚乙二醇PEG、聚丙烯酸钠、柠檬酸、硬脂酸、软脂酸、十二烷基苯磺酸中的至少一种，其中聚乙二醇优选PEG-2000、PEG-4000、PEG-6000、PEG-8000、PEG-10000、PEG-20000中的至少一种。

可选地，所述水溶液中碳源的浓度为0.2～1mol/L。

可选地，所述水溶液中碳源的浓度下限为0.2mol/L、0.33mol/L、0.55mol/L，上限值选自0.33mol/L、0.58mol/L、1mol/L。

可选地，所述结构调控剂的质量为碳源质量的0.1～1％。

可选地，所述结构调控剂与碳源质量百分比下限选自0.1％、0.19％、0.2％、0.67％、0.84％，上限选自0.19％、0.2％、0.67％、0.84％、1％。

可选地，所述碳源选自葡萄糖、果糖、蔗糖中的至少一种。

可选地，所述水热反应的具体条件包括：

反应温度为185～220℃；