[发明专利]一种具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法

说明书

本发明提供了一种具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法，包括以下步骤：提供水溶液体系、催化剂、介孔碳球前驱体、二氧化硅前驱体以及调节剂，先将催化剂以及调节剂添加到水溶液体系中并混匀，再依次向水溶液体系中添加碳材料前驱体和造孔材料前驱体并混匀，10～80℃反应10～600min后，除去二氧化硅，制得具有规整有序介孔孔道结构碳球；所述介孔碳球前驱体反应生成酚醛树脂纳米颗粒，所述二氧化硅前驱体反应生成二氧化硅纳米颗粒。本发明通过无表面活性剂法实现介孔碳纳米球尺寸的调控，孔道的调控，并且能够调节孔道的规整性。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，具体涉及一种具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法。

背景技术

介孔碳球纳米材料因其独特性能近年来成为纳米材料科学研究的热点。介孔碳材料不仅具有比表面积大、孔容大和孔径可调的特点，而且其表面易官能化，具有良好的化学稳定性和导电性，被广泛地应用于生物传感器、药物/基因传递、燃料电池和锂电池等方面。目前，介孔碳球的制备方法主要有软模板法、硬模板法和法等。硬模板法通常需要预先合成有序无机介孔硬模板，然后将碳源浸入模板剂孔道中，最后碳化并除去模板得到介孔碳材料。整个制备过程繁琐费时，后续需要使用强酸、强碱除去模板，限制了介孔碳球的大规模生产和应用。软模板法是以表面活性剂为模板剂，在乙醇或乙醇/水混合溶液等体系中，碳前驱体发生缩聚并进行自组装形成前驱体/表面活性剂的稳定介观相，随后具有介观结构的聚合物在惰性气体中碳化形成介孔孔壁，模板剂分解产生有序介孔孔道。与硬模板法相比，软模板法步骤相对简单、方便，可实现大规模生产，但是高温碳化容易导致介孔孔道结构的坍塌。而法制备介孔碳球类似于利用有机硅水解缩聚制备二氧化硅微球，利用间苯二酚和甲醛在碱性条件下水解缩聚制备酚醛树脂微球，然后碳化得到介孔碳球。法制备介孔碳球反应条件可控，制备过程简单，但是该方法制备的碳球一般孔径偏小，甚至是微孔，并且孔道结构无序。如何采用简单易行的方法制备出孔道规整有序的介孔纳米球是一个值得研究的问题。

公开号为CN110894067A，专利名称为空心介孔碳球及其制备方法的专利利用非离子表面活性剂、扩孔剂、碱催化剂和碳前驱物合成空心介孔碳球。所得空心介孔碳球的粒径尺寸、空腔大小、介孔尺寸、壳层厚度、比表面积均可调，并且在锂硫电池方面表现出优良的性能。但该种材料合成需要用到非离子表面活性剂作为结构导向剂。公开号为CN110002423A，专利名称为一种酚醛树脂基中空碳球的制备方法以间苯二酚、甲醛、氨水、乙醇味原料利用无模板法制备了球径均一的酚醛树脂基中空碳球。该种制备方法简单，可大规模工业化生产。但该专利合成的中空碳球没有规整有序的介孔孔道结构，且不涉及介孔孔径尺寸调控。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法，以解决现有介孔结构碳球制备过程中存在的需要大量使用表面活性剂、无法调控孔道的大小等问题。

本发明提供了一种具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法，包括以下步骤：提供水溶液体系、催化剂、介孔碳球前驱体、二氧化硅前驱体以及调节剂，先将催化剂以及调节剂添加到水溶液体系中并混匀，再依次向水溶液体系中添加碳材料前驱体和造孔材料前驱体并混匀，10～80℃反应10～600min后，除去二氧化硅，制得具有规整有序介孔孔道结构碳球；

所述介孔碳球前驱体反应生成酚醛树脂纳米颗粒，所述二氧化硅前驱体反应生成二氧化硅纳米颗粒。

本发明具有规整有序介孔孔道结构碳球的制备方法采用无表面活性剂的一步合成方法，类似于合成体系，用于制备介孔纳米碳材料，降低材料合成成本，降低合成工艺难度，提高材料合成的稳定性，有利于纳米介孔碳球(介孔孔道结构碳球)的大规模工业化制备。本发明通过无表面活性剂法实现介孔碳纳米球尺寸的调控，孔道的调控，并且能够调节孔道的规整性。