[发明专利]一种壳层间距及壳厚可调节的中空碳碗及其制备方法

说明书

本发明属于新材料领域，特别涉及一种壳间距及壳厚可调节的中空碳碗及其制备方法。将软核/硬壳聚苯乙烯微球进行超交联反应，得到聚苯乙烯碗，以其为模板，先后通过钛酸四丁酯在聚苯乙烯碗表面的水解、多巴胺在聚苯乙烯/二氧化钛复合碗表面的聚合，氮气气氛下的碳化处理以及氢氟酸刻蚀，制备了中空碳碗。本方法制备的中空碳碗具有独特的双壳层异组分结构，同时兼具比表面积大、尺寸均匀、分散性好、壳间距及壳厚可调节等优点，是在碳碗制备方面的创新。

技术领域

本发明属于新材料领域，特别涉及一种壳层间距及壳厚可调节的中空碳碗及其制备方法。

背景技术

碳材料经过多年的发展，其已从石墨、金刚石等传统碳材料发展到今日的活性炭、石墨烯、碳纤维、纳米碳管、富勒烯等被称为第四类工业材料的新型碳材料。由于碳材料具有密度小、强度大、热膨胀小、热稳定性和化学稳定性高、导电性和生理相容性好以及耐酸碱腐蚀性等特点，已被广泛应用于催化、污水处理、能源储存、药物的储存与释放、冶金、建筑、机械等领域，因此开发具有独特结构、组分和功能的碳材料具有重要的理论和实际应用价值。

中空结构材料具有低密度、高比表面积、可以容纳客体分子等特点，因此被应用于药物缓释、催化剂载体、储能材料等诸多领域。基于中空碳球发展而来的中空碳碗不仅继承了中空碳球的结构和功能，而且其还具备中空碳球所不具有的凹陷、开口以及非球形的弱对称结构等特点，使其在光学、药物缓释、催化、超级电容器、可控释放、锂离子电池、分子印刷等方面展现出了良好的应用前景。

迄今为止，在国内外文献和专利中有关单壳层碳碗的研究较多，而有关双壳层及多壳层碳碗的工作却鲜有报道。尽管文献[Chemistry of Materials，2015，27，6297-6304]通过二次加入硅酸四乙酯的方法制备了二氧化硅/酚醛树脂/二氧化硅/酚醛树脂微球，再通过碳化、氢氟酸刻蚀制备了一种双壳层碳碗。但该文献中制备的双壳层碳碗既不能对内外壳层间距和内外壳层厚度进行调节，也无法实现不同组分的内外壳层的构筑，这严重抑制了双壳层碳碗的应用。因此，开发一种壳层间距及壳厚可调节的双壳层异组分中空碳碗具有重要的理论研究意义和应用价值。

发明内容

本发明提供一种壳层间距及壳厚可调节的中空碳碗及其制备方法，可解决如下问题：①双壳层中空碳碗既可调节内外壳层间距又可调节内外壳层厚度；②双壳层中空碳碗内外壳层的组分可以不同。

一种壳层间距及壳厚可调节的中空碳碗，其特征在于，该碳碗为双壳层碗状结构，内部中空，碳碗内层为部分石墨化的普通碳层，外层为N原子掺杂的部分石墨化的碳层。

所述碳碗的内壳层碗口外径可在160-500nm之间进行调节。

所述碳碗的内壳层厚度可在5-20nm之间进行调节。

所述碳碗外壳层厚度可在10-100nm之间进行调节。

所述碳碗内外壳层间距可在10-100nm之间进行调节。

一种壳层间距及壳厚可调节的中空碳碗的制备方法，其制备过程包括下述步骤：

1）软核/硬壳聚苯乙烯微球的制备：取2-7mL苯乙烯，将其与140mL去离子水混合，通入高纯氮气搅拌30min，加热至70℃，然后加入10mL含0.08-0.32g过硫酸钾的去离子水溶液作为引发剂，在70℃下搅拌3-6小时，在上述体系中加入1-2mL的交联剂二乙烯基苯，反应24h，即可获得直径为230-550nm的软核/硬壳聚苯乙烯微球；

2）聚苯乙烯碗的制备：取0.3g步骤1）中制备的聚苯乙烯微球超声分散于50mL质量分数为10wt%的六水氯化铁的二乙氧基甲烷溶液中，40℃下搅拌4h，即可得到聚苯乙烯碗；