一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球、制备方法及其应用，所述碳纳米球，包括以下原料：碳源、氮源、硫源、石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH‑57、α‑烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物，所述碳纳米球是经过混合、研磨粉碎、微波反应等步骤制成的。本发明专利技术具有原料简单易得、工艺简单、操作方便、绿色环保、高效易批量生产的特点；本发明专利技术制备的碳球直径在30‑60纳米，该纳米球有望在储氢、超级电容器、光催化等领域有巨大的应用前景。

Solid phase microwave synthesis of nitrogen and sulfur doped carbon nanospheres, preparation method and application thereof

The invention discloses a carbon nanosphere doped with nitrogen and sulfur synthesized by solid-phase microwave method, a preparation method and an application thereof. The carbon nanosphere comprises the following raw materials: carbon source, nitrogen source, sulfur source, graphene energy powder, silane coupling agent KH_57, sodium alpha_ene sulfonate, and ethylene-acrylic acid copolymer. It is made by over mixing, grinding and grinding, microwave reaction and so on. The invention has the advantages of simple raw materials, simple process, convenient operation, green environmental protection, high efficiency and easy mass production; the carbon sphere prepared by the invention has a diameter of 30 60 nm, and is expected to have a great application prospect in hydrogen storage, supercapacitor, photocatalysis and other fields.

【技术实现步骤摘要】
一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球、制备方法及其应用
本专利技术涉及一种氮硫共掺杂碳纳米球的制备新方法，具体涉及固相研磨、微波碳化技术制备氮硫双掺杂碳纳米球。
技术介绍
碳纳米球具有密度低、化学性质稳定、导电性好、比表面积大、生物相容性强等优点，其在电极材料、催化剂、催化剂载体、复合材料增强体及药物包裹等领域有潜在的应用前景。碳材料由于本身结构的缺陷大大影响了其综合性能的提升，限制了其进一步的应用。碳材料的性能与其结晶度、微观结构和表面特性等密切相关，通过掺杂可有效减少碳材料本身的缺陷，进一步提高其稳定性和导电性。如引入杂原子可以降低电荷转移的电阻并改善润湿性，从而增强电容性能，目前已报道的掺杂的杂原子有氮、磷、硫和硼可以单掺杂或者双掺杂的形式掺杂以改性碳材料。与单掺杂相比，双掺杂由于协同效应在整体性能的提升有明显的优势。到目前为止，单一氮掺杂碳纳米球文献报道较多，而双掺杂如氮硫共掺杂碳纳米球文献报道较少，而且大都采用弧光放电法、激光烧结法、化学气相沉积法或者真空热处理法，这些制备方法需要较高的能量消耗、昂贵的仪器设备、反应时间长和繁杂的实验操作步骤等缺点限制了其材料在实际开发应用中的推广。因此，探索一种简单、节能、高效、低成本的氮硫共掺杂碳纳米球制备方法具有重要的科学研究意义和实际应用价值。
技术实现思路
本专利技术提供一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球、制备方法及其应用，以解决现有技术的技术问题。为解决以上技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，包括以下原料：碳源、氮源、硫源、石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物；所述石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物的摩尔比为(0.06-0.15):(0.02-0.04):(0.03-0.05):(0.1-0.2。进一步地，以摩尔份为单位，包括以下原料：碳源1份、氮源2-3.5份、硫源1.2-3份、石墨烯能量粉末0.06-0.15份、硅烷偶联剂KH-570.02-0.04份、α-烯基磺酸钠0.03-0.05份、乙烯－丙烯酸共聚物0.1-0.2份。进一步地，以摩尔份为单位，包括以下原料：碳源1份、氮源2.5份、硫源2.3份、石墨烯能量粉末0.09份、硅烷偶联剂KH-570.03份、α-烯基磺酸钠0.04份、乙烯－丙烯酸共聚物0.2份。进一步地，所述的碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖和柠檬酸中的一种。进一步地，所述的氮源为氨基酸、蛋白质、三聚氰胺、尿素中的一种。进一步地，所述的硫源为硫脲、二苯氨基脲、硫代硫酸铵中的一种。本专利技术还提供一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳源、氮源、硫源、α-烯基磺酸钠按摩尔比例混合，在玛瑙研钵上研磨10-20min，制得混合物；(2)将石墨烯在玛瑙研钵上研磨10-20min粉碎，制得粉末，所得粉末在磁场强度为6300-6800GS，超声波功率为500-600W，温度为50-55℃，转速为200-300r/min下，搅拌30-40min，制得石墨烯能量粉末；(3)将步骤(1)制得的混合物、步骤(2)制得的石墨烯能量粉末、烷偶联剂KH-57、乙烯－丙烯酸共聚物按摩尔比例混合，在玛瑙研钵上研磨15-25min，制得混合粉末，得到的混合粉末放入微波专用玻璃烧杯中，然后将烧杯放入微波炉中，温度设置为中高火或者高火，反应5-15min后自然冷却到室温，制得反应后混合物；(4)将步骤(3)制得的反应后混合物在玛瑙研钵上研磨10-20min，制得混碳纳米球。进一步地，所述碳纳米球的直径为30-60nm。本专利技术还提供一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球在储氢、电容器、光催化等领域中的应用。本专利技术具有以下有益效果：(1)由实施例1-3和对比例1-5的数据可见，缺少石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物均会影响比电容和比电容保持率，在原料中增加石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物，可提高比电容和比电容保持率；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。(2)由实施例1和对比例1-5的数据可见，石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物在制备碳纳米球中起到了协同作用，协同提高了比电容和比电容保持率，这可能是：石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物作为提高比电容和比电容保持率体系，以石墨烯能量粉末为主料，石墨烯充能后具有较强的导电性，有利于提高材料的电化学性能；以硅烷偶联剂KH-57为接枝改性剂，α-烯基磺酸钠具有优异的表面活性，乙烯－丙烯酸共聚物具有优异的分散性能，碳源、氮源、硫源在硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠作用下，可提高微波反应的速率，而石墨烯能量粉末的加入提高了碳纳米球的比电容和比电容保持率，乙烯－丙烯酸共聚物的存在可使制得的碳纳米球有效避免团聚，从而使制得的碳纳米球电极材料表现出较高的比容量和较好的循环稳定性。(3)本专利技术制备的碳纳米球，直径为30-60nm且大小均匀，分散性好，比表面积400m2·g-1以上。其作为超级电容器材料时，经分析测试表明，在电流密度1A·g-1时，比电容达244.7F·g-1以上；循环充放电2000次后，比电容保持率为92.1％以上，表现出较高的比容量和较好的循环稳定。(4)本专利技术具有原料简单易得、工艺简单、操作方便、绿色环保、高效易批量生产的特点；本专利技术制备的氮硫共掺杂碳纳米球为功能性碳材料，氮和硫杂原子的掺杂有利于减少碳纳米球的结构缺陷，提高其复合材料稳定性和导电性；本专利技术方法制备的氮硫共掺杂碳纳米球可应用于储氢、超级电容器、光催化等领域。【附图说明】图1是实施例1制备的碳纳米球的XRD衍射图；图2是实施例2制备的碳纳米球的扫描电镜图；图3是实施例3制备的碳纳米球的光电子能谱XPS图。【具体实施方式】为便于更好地理解本专利技术，通过以下实例加以说明，这些实例属于本专利技术的保护范围，但不限制本专利技术的保护范围。在实施例中，所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，以摩尔份为单位，包括以下原料：碳源1份、氮源2-3.5份、硫源1.2-3份、石墨烯能量粉末0.06-0.15份、硅烷偶联剂KH-570.02-0.04份、α-烯基磺酸钠0.03-0.05份、乙烯－丙烯酸共聚物0.1-0.2份。所述的碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖和柠檬酸中的一种。所述的氮源为氨基酸、蛋白质、三聚氰胺、尿素中的一种。所述的硫源为硫脲、二苯氨基脲、硫代硫酸铵中的一种。所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球的制备方法，包括以下步骤：(1)将碳源、氮源、硫源、α-烯基磺酸钠按摩尔比例混合，在玛瑙研钵上研磨10-20min，制得混合物；(2)将石墨烯在玛瑙研钵上研磨10-20min粉碎，制得粉末，所得粉末在磁场强度为6300-6800GS，超声波功率为500-600W，温度为50-55℃，转速为200-300r/min下，搅拌30-40min，制得石墨烯能量粉末；(3)将步骤(1)制得的混合物、步骤(2)制得的石墨烯能量粉末、烷偶联剂KH-57、乙烯－丙烯酸共聚物按本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，包括以下原料：碳源、氮源、硫源、石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH‑57、α‑烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物；所述石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH‑57、α‑烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物的摩尔比为(0.06‑0.15):(0.02‑0.04):(0.03‑0.05):(0.1‑0.2)。

【技术特征摘要】
1.一种固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，包括以下原料：碳源、氮源、硫源、石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物；所述石墨烯能量粉末、硅烷偶联剂KH-57、α-烯基磺酸钠、乙烯－丙烯酸共聚物的摩尔比为(0.06-0.15):(0.02-0.04):(0.03-0.05):(0.1-0.2)。2.根据权利要求1所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，以摩尔份为单位，包括以下原料：碳源1份、氮源2-3.5份、硫源1.2-3份、石墨烯能量粉末0.06-0.15份、硅烷偶联剂KH-570.02-0.04份、α-烯基磺酸钠0.03-0.05份、乙烯－丙烯酸共聚物0.1-0.2份。3.根据权利要求2所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，以摩尔份为单位，包括以下原料：碳源1份、氮源2.5份、硫源2.3份、石墨烯能量粉末0.09份、硅烷偶联剂KH-570.03份、α-烯基磺酸钠0.04份、乙烯－丙烯酸共聚物0.2份。4.根据权利要求1-3任一项所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，所述的碳源为葡萄糖、蔗糖、果糖、乳糖和柠檬酸中的一种。5.根据权利要求1-3任一项所述的固相微波法合成掺杂氮硫的碳纳米球，其特征在于，所述的氮源为氨基酸、蛋白质、三聚氰胺、尿素中的一种。6.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鸿旭，何娜婷，牛百通，吴屹伟，朱梅花，张燕辉，郑子山，
申请(专利权)人：闽南师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35