[发明专利]一种空心球状超结构碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种空心球状超结构碳材料及其制备方法，属于吸附材料制备的技术领域，该方法包括以下步骤：(1)将生物质糖、结构导向剂和分散剂分散混合后进行水热反应，制得水热碳；其中，所述结构导向剂为脂肪酸甲酯乙氧基化物，所述糖与所述结构导向剂和所述分散剂的质量比例为(3‑9)：(0.02‑0.05)：(0.05‑0.1)；(2)将所述水热碳与草酸钠混合，在保护气氛下进行高温煅烧，制得所述的空心球状超结构碳材料。本发明以生物质糖为原料，通过添加高浊点脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚和聚电解质辅助水热反应制备空心超结构碳材料，所制备的超结构碳材料为空心结构且分散性较好。

技术领域

本发明涉及吸附材料制备技术领域，具体涉及一种空心球状超结构碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料具有结构可调和热力学稳定性优良等特点，被广泛用作催化剂载体、电化学材料、能源存储和吸附材料等。由纳米基元组装而成的微/纳尺度球形超结构碳材料不仅继承了其纳米基元的性能，并获得某些非常规特性。例如，以球形MOF纳米棒为自模板，热解制备了由纳米棒组装而成的超结构球形碳材料，该材料具有较大的比表面积(2350m2/g)和孔容(2.0cm3/g)，它负载超细Pd粒子后对甲酸脱氢表现出优异的催化活性(AdvancedMaterials,2019,31,1900440)。

生物质衍生糖类化合物是制备碳材料的常用原料。目前，以生物质糖类为原料制备碳材料的常用方法有热解法、硬模板法、软模板法、水热法等。其中，水热法具有能耗低、操作简便、所制备的碳材料表面富含含氧官能团等优点。在水热过程中引入合适的添加剂，可以实现碳材料的形貌调控。例如，醋酸镍具有结构导向、催化石墨化和致孔等多重作用，在葡萄糖溶液中加入醋酸镍并通过水热碳化、热解、刻蚀除镍等步骤，可制备出由厚度为20nm的花瓣片组装而成的球状超结构介孔碳材料(Journal of Materials Chemistry A,2014,2,16884-16891)。Li等人(Carbon,2021,176,1-10)提出利用夹层生长策略制备碳超结构材料的思路。以葡萄糖锌为碳源，水热过程中加入二氧化硅，有助于C/Zn2SiO4片层复合物形成，C/Zn2SiO4片层不断捕获球形二氧化硅，最终形成交替结构的C/Zn2SiO4超结构复合材料。碳化、HF洗涤C/Zn2SiO4复合材料后可得到厚度小于1nm纳米片组成的球形超结构碳材料。在葡萄糖溶液中加入丙烯酸可以得到球形碳超结构(Chemistry of Materials,2009,21,484-490；Angewandte Chemie International Edition,2017,56,600-604；Materials Letters,2017,193,172–175；Chemical Engineering Journal,2018,338,734–744)，然而，该方法所制备的超结构碳球的分散性较差。目前，以生物质为原料制备的球形碳超结构以实心为主，而空心球形碳超结构还鲜有报道。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种空心球状超结构碳材料及其制备方法和应用，以解决上述问题。

本发明的目的采用以下技术方案来实现：

一种空心球状超结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将生物质糖、结构导向剂和分散剂分散混合后进行水热反应，制得水热碳；其中，所述结构导向剂为脂肪酸甲酯乙氧基化物，所述糖与所述结构导向剂和所述分散剂的质量比例为(3-9)：(0.02-0.05)：(0.05-0.1)；

(2)将所述水热碳与活化剂草酸钠混合，在保护气氛下进行高温煅烧，制得所述空心球状超结构碳材料；其中，所述水热碳与所述草酸钠的质量比例为1：(1-5)。

作为本发明进一步优选的实施方式，所述糖为木糖、核糖、阿拉伯糖中的一种或几种。

作为本发明进一步优选的实施方式，所述分散剂为聚丙烯酸钠和/或聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-马来酸)钠盐。