[发明专利]烧瓶结构的碳纳米材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种烧瓶结构碳纳米材料及其制备方法。本发明以成本低廉的葡萄糖为碳源，三嵌段共聚物聚环氧乙烷‑聚环氧丙烷‑聚环氧乙烷(PEO₂₀‑PPO₇₀‑PEO₂₀，P123)和油酸钠为共同结构导向剂，水为溶剂，采用简单的水热合成方法，通过直接碳化葡萄糖和二次生长的方法分别得到了独特的单口和双口碳纳米瓶。从电镜结果可知，制得的碳纳米瓶均为空心结构，形貌均一，表面粗糙，其瓶身大小分别约为560nm和590nm。拉曼光谱结果表明，所得碳纳米瓶均为无定型结构。该法制备的非对称结构的碳纳米瓶在能源和催化等领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种非对称结构碳纳米瓶的制备方法，属于无机化学和材料合成领域。

背景技术

凭借来源丰富、环境友好、化学性质稳定以及优异的导电性等独特优势，不同结构和形貌的碳纳米材料如纳米球、纳米管以及纳米花等已被成功开发和制备出来，并被广泛用于能源存储和环境催化等领域。

但受限于表面自由能效应，上述所得材料通常是常规的均匀对称结构。对比之下，没有对称中心的非对称结构的纳米材料由于各向异性等原因赋予其一些新的独特优势，比如：更大的有效表面积和更优异的力学稳定性等。在近年来，这类结构的材料逐渐引起大家的密切关注和广泛青睐。目前已有不同的合成路线用于制备非对称结构的碳纳米材料，主要包括软模板、硬模板和自模板等方法。虽然对于非对称结构碳纳米材料的合成取得了一定的成绩，但因其制备过程相对复杂，结构也难以控制，目前的报道主要集中在碗状和红细胞状结构方面。此外，合成过程的复杂性也导致其应用受到了很大限制。因此，如何能够简单有效地制备更有趣的新型非对称结构碳纳米材料，从而使其具有更广泛的应用和更优异的性能，进而推动非对称结构碳纳米材料的发展，具有非常重要的研究意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供利一种烧瓶结构的碳纳米材料及其制备方法，本发明碳纳米瓶均为空心结构，形貌均一，表面粗糙，其瓶身外径大小不超过590nm。拉曼光谱结果表明，所得碳纳米瓶均为无定型结构。本发明方法制备的非对称结构的碳纳米瓶在能源和催化等领域具有潜在的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种烧瓶结构的碳纳米材料，该材料具有烧瓶形状的非对称颗粒结构，且形成的碳纳米瓶颗粒材料具有均匀的单口形貌或双口形貌的烧瓶结构碳纳米颗粒。

优选地，在嵌段共聚物P123和油酸钠混合胶束模板的作用下，制备出具有均一形貌的单口或双口烧瓶结构碳纳米颗粒。

优选地，葡萄糖分子通过氢键等作用首先吸附在P123和油酸钠混合胶束模板上，随后在水热过程中，碳化的葡萄糖分子逐渐在胶束表面聚合和生长，得到单口烧瓶结构的碳纳米颗粒。

优选地，在合成体系中仍残留没有参与反应的P123和油酸钠混合乳液，在水热碳化过程中，新加入的葡萄糖分子以上述单口碳纳米瓶上的残留乳液为模板，继续聚合和再生长，最终获得均匀的双口的碳纳米烧瓶。

优选地，碳纳米瓶颗粒材料的碳纳米瓶为空心结构，瓶身最大外轮廓直径不超过590nm。进一步优选地，碳纳米瓶颗粒材料的碳纳米瓶为空心结构，瓶身最大外轮廓直径为560-590nm。

优选地，碳纳米瓶颗粒材料的内部空腔最大轮廓直径不大于360nm。进一步优选地，碳纳米瓶颗粒材料的内部空腔最大轮廓直径为280-360nm。

一种本发明烧瓶结构的碳纳米材料的制备方法，具体步骤为：

a.将同等质量的三嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷和油酸钠加入到去离子水中，搅拌0.5～1h，得到P123/油酸钠混合溶液；所述三嵌段共聚物聚环氧乙烷-聚环氧丙烷-聚环氧乙烷、油酸钠的质量浓度分别为1.125～3.75mg/mL；