一种淀粉基中空碳微球材料及其制备方法和储热应用技术

本发明专利技术提供一种淀粉基中空碳微球材料，采用可溶性淀粉作为碳源，羧基功能化的聚苯乙烯为模板剂，经水热反应和高温碳化后，无需活化过程，即可得到具有中空碳微球形貌、比表面积为1300‑1350 m

A Starch-based Hollow Carbon Microsphere Material and Its Preparation Method and Thermal Storage Application

【技术实现步骤摘要】
一种淀粉基中空碳微球材料及其制备方法和储热应用
本专利技术涉及相变储能材料领域，具体涉及一种淀粉基中空碳微球材料及其制备方法和储热应用。
技术介绍
近年来，随着化石燃料消耗的不断增加，热能储存得到了广泛的关注，并且也被证明是一种很有前途的能源高效利用技术。相变材料是指在一定温度范围内，物理状态或分子结构发生转变过程中，可以吸收环境的热量，并在需要时向环境释放出热量，从而达到控制周围环境温度的目的，因此被认为是储能的良好选择。与此同时，相变材料在太阳能利用、建筑节能、电子热管理、余热回收等方面发挥着重要作用。相变材料按照相变过程可以分为固-固相变材料、固-液相变材料、固-气相变材料和液-气相变材料。固-液相变材料是相变材料中研究最多和应用最广的一类材料，主要包括结晶水合盐类、熔盐类、石蜡类、脂肪酸等，种类繁多，性能各异。但是无论是无机类固-液相变材料还是有机类固-液相变材料，其液体以流动流失一直是实际应用的难题。常见的碳材料包括多孔碳、碳纳米管、石墨烯，不同的碳材料，由于其不同形态和微观结构，具备的物理和化学性质差异巨大。其中，多孔碳由于具有高比表面积、吸附热适中、导热性良好、机械稳定性高等优点，且多孔碳材料制备成本低廉、工艺简单，是复合相变材料载体中最常见的材料。多孔碳利用内部微孔结构的毛细吸附作用和表面张力，将液态的相变材料物理吸附在多孔碳材料的孔道内，形成复合相变材料。多孔碳材料的现有技术，中国专利（申请号201610557581.8）提供了一种3D多孔碳骨架基复合相变材料的制备方法，原料采用有机酮或醛为碳源，获得了多孔碳的微观形貌。该技术采用常见基础化工原料有机酮或醛作为碳源，具有原料一致性的优点，但是，该方法的反应原料存在环境污染的问题，并导致最终产品的应用场景存在一定的限制。采用生物质原料作为碳源，可以解决上述问题。现有技术中国专利（申请号201810722827.1）提供了一种高储热多孔碳基水合无机盐复合相变材料的制备方法。其原料采用椰壳、果壳或其他生物质材料作为碳源，获得了多孔碳的微观形貌。但是，该技术存在生物质材料的常见问题——无法保证原料的一致性从而无法保证产品形貌、性能的一致性；并且此技术制备碳材料需要通过硝酸溶液进行活化，硝酸溶液对人体的皮肤和粘膜有着强刺激和腐蚀作用，同样存在环境污染和应用场景受限的问题。采用淀粉作为碳源，可以同时有效解决上述技术问题——即具备环境友好的特点，也具备原料一致性的特点，并且在原料成本上具有显著优势，分析级可溶性淀粉价格仅为45.89元/500g（http://www.zhaoshiji.com/goods_18670.html）。采用淀粉为碳源制备多孔碳材料的现有技术目前有2篇相关文献：1、BoTan等人（B.Tan,Z.Huang,Z.Yin,X.Min,Y.g.Liu,X.Wu,M.Fang,Preparationandthermalpropertiesofshape-stabilizedcompositephasechangematerialsbasedonpolyethyleneglycolandporouscarbonpreparedfrompotato,RSCAdvances6(19)(2016)15821-15830.）以新鲜马铃薯为碳源，虽然获得了多孔碳的微观形貌，但是其比表面积仅有42.6m2/g，且存在孔径分布不均匀、孔道有部分坍塌的情况；2、FengyueSuo等人（F.Suo,X.Liu,C.Li,M.Yuan,B.Zhang,J.Wang,Y.Ma,Z.Lai,M.Ji,Mesoporousactivatedcarbonfromstarchforsuperiorrapidpesticidesremoval,IntJBiolMacromol121(2019)806-813.）以淀粉为碳源，虽然也获得了多孔碳的微观形貌，但是，为了提高材料的比表面积，采用了浸渍活化的方法对碳材料进行处理，导致碳材料表面形貌受到严重破坏，其比表面积也仅提高到160.6m2/g；前述技术方案，虽然可以一定程度兼顾一致性、安全性和低廉的成本，但是，由于所得碳材料均为开放式的多孔碳结构，在物理吸附相变材料后，必然无法从根源上解决泄露问题。另有现有技术，OuyangHaibo等人（O.Haibo,L.Cuiyan,H.JianFeng,F.Jie,Synthesisofcarbon/carboncompositesbyhydrothermalcarbonizationusingstarchascarbonsource,RSCAdv.4(24)(2014)12586-12589.）以淀粉为碳源，获得了直径为10微米级的碳纤维结构。因为同样是开放性结构的碳纤维，因此无法解决上述问题，但是该技术表明，可以通过适当的制备方法，获得不同形貌的碳材料，从而解决泄露问题。在众多碳材料中，具有中空结构的碳微球，在兼具多孔碳材料全部特点的基础上，还具有高度连续的特点，因此可以有效解决上述相变材料的泄露问题。现有技术WeiHan等人（W.Han,S.Dong,B.Li,L.Ge,Preparationofpolyacrylonitrile-basedporoushollowcarbonmicrospheres,ColloidsandSurfacesA:PhysicochemicalandEngineeringAspects520(2017)467-476.）以聚丙烯腈乳液为前驱体，通过固化、水洗、超临界干燥、预氧化、碳化等一系列操作制备了聚苯胺基中空碳微球。虽然此方法制备的中空碳微球在储能和吸附方面有一定的应用，但是该技术的制备方法繁琐，不适用于大规模生产；并且制备过程中需要用到N,N二甲基甲酰胺，和人体接触后易发生过敏、湿疹甚至是灼伤，同样限制了相变材料的应用范围。因此，采用来源广泛、价格低廉，且可降解、无环境污染的淀粉作为碳源，制备成具有高比表面积的中空碳微球结构，可以有效解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对现有技术存在的只采用环境友好、价格低廉的可溶性淀粉制备出开放式的多孔碳结构，无法解决相变材料的泄露问题，提供一种淀粉基中空碳微球材料及其制备方法。通过水热反应和高温碳化，无需活化过程，即可制备具有高比表面积的中空碳微球的简便制备方法，获得吸附性能优异的碳材料；然后再对相变材料进行吸附，从而解决相变材料的泄露问题。为了实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种淀粉基中空碳微球材料，其特征在于：采用可溶性淀粉作为碳源，羧基功能化的聚苯乙烯为模板剂，羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉的质量比为1:3，经水热反应和高温碳化后，无需活化过程，即可得到具有中空碳微球形貌的碳材料。其中，所得淀粉基中空碳微球材料的比表面积为1300-1350m2/g。一种淀粉基中空碳微球材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球的制备，将羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉放入烧杯中混合均匀后，进行水热反应，得到聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球，进一步洗涤、干燥；步骤2）淀粉基中空碳微球的制备，将步骤1）得到的聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球进行高温碳本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种淀粉基中空碳微球材料，其特征在于：采用可溶性淀粉作为碳源，羧基功能化的聚苯乙烯为模板剂，羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉的质量比为1:3，经水热反应和高温碳化后，无需活化过程，即可得到具有中空碳微球形貌的碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种淀粉基中空碳微球材料，其特征在于：采用可溶性淀粉作为碳源，羧基功能化的聚苯乙烯为模板剂，羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉的质量比为1:3，经水热反应和高温碳化后，无需活化过程，即可得到具有中空碳微球形貌的碳材料。2.根据权利要求1所述的淀粉基中空碳微球材料，其特征在于：所得淀粉基中空碳微球材料的比表面积为1300-1350m2/g。3.根据权利要求1所述淀粉基中空碳微球材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1）聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球的制备，将羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉放入烧杯中混合均匀后，进行水热反应，得到聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球，进一步洗涤、干燥；步骤2）淀粉基中空碳微球的制备，将步骤1）得到的聚苯乙烯/可溶性淀粉复合微球高温碳化，即可得到淀粉基中空碳微球。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述步骤1）羧基功能化的聚苯乙烯和可溶性淀粉混合的条件为，先30℃恒温搅拌0.5-1h，然后超声0.5-...

【专利技术属性】
技术研发人员：张焕芝，季蓉，黄悦，魏胜，夏永鹏，黄朝玮，莫小叶，孙立贤，徐芬，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，
类型：发明
国别省市：广西,45