一种空心球状超结构碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
一种空心球状超结构碳材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及吸附材料制备
，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。

技术介绍

[0002]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(Advanced Materials,2019,31,1900440)。
[0003]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。

技术实现思路

[0004]针对上述问题，本专利技术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。
[0005]本专利技术的目的采用以下技术方案来实现：
[0006]一种空心球状超结构碳材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](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)；
[0008](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)。
[0009]作为本专利技术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。
[0010]作为本专利技术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。
[0011]作为本专利技术进一步优选的实施方式，所述糖在水中的质量浓度为5
‑
15wt％，更优选为5wt％。
[0012]作为本专利技术进一步优选的实施方式，所述水热反应的反应温度为140
‑
180℃，反应时间9
‑
18h。
[0013]作为本专利技术进一步优选的实施方式，所述高温煅烧的升温速率为1
‑
5℃/min，煅烧温度为500
‑
900℃，煅烧时间1
‑
5h。
[0014]本专利技术的另一目的在于提供一种空心球状超结构碳材料，其由前述制备方法制备得到。
[0015]本专利技术的再一目的在于提供一种所述空心球状超结构碳材料的应用方法，具体是用于水体中有机砷的吸附，更优选是对水体中对氨基苯胂酸和/或洛克沙胂的吸附。
[0016]本专利技术的有益效果为：
[0017](1)本专利技术以生物质糖为原料，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，其粒径为1～6μm，空腔直径为100～1200nm，壁厚度为100～900nm，经活化处理后得到的空心球状超结构碳材料(SAC)保持了原有的形貌和空腔结构，其粒径为1～2.5μm，空腔直径为600～1200nm，壁厚度为200～400nm。具体的，脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚与生物质糖在溶液中首先形成球形胶束，糖分子在水热过程中经脱水、缩合、聚合等步骤形成碳核中间体，由于碳核中间体表面能高，聚电解质吸附在其表面使其空间位阻和静电斥力增强，并抑制其生长，促进在胶束表面进行组装；随着水热碳化时间延长，碳核中间体数量增加，高表面能促使新生成的碳核与碳核发生分子间脱水和醇醛缩合等反应，最终形成分散性良好的球状超结构空心碳材料；与其它聚醚类表面活性剂相比，脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚的浊点更高，在水热环境中仍保持球形胶束结构，有助于纳米碳核粒子在表面组装并形成空心超结构碳材料。
[0018](2)本专利技术所提供的球状超结构碳材料制备方法，工艺简单，以可再生生物质衍生物为原料，环境友好。
附图说明
[0019]利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
[0020]图1是本专利技术实施例1所制备(a)空心超结构水热碳材料、(b)SAC
‑
1的SEM图；
[0021]图2是本专利技术实施例1所制备(a)空心超结构水热碳材料、(b)SAC
‑
1的TEM图；
[0022]图3是本专利技术实施例2所制备空心超结构水热碳材料的SEM图；
[0023]图4是本专利技术实施例2所制备空心超结构水热碳材料的TEM图；
[0024]图5是本专利技术实施例3所制备空心超结构水热碳材料的SEM图；
[0025]图6是本专利技术实施例3所制备空心超结构水热碳材料的TEM图；
[0026]图7是本专利技术实施例4所制备空心超结构水热碳材料的SEM图；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空心球状超结构碳材料的制备方法，其特征在于，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)。2.根据权利要求1所述的空心球状超结构碳材料的制备方法，其特征在于，所述糖为木糖、核糖、阿拉伯糖中的一种或几种。3.根据权利要求1所述的空心球状超结构碳材料的制备方法，其特征在于，所述分散剂为聚丙烯酸钠和/或聚(4
‑
苯乙烯磺酸
‑
共聚
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡卫权，彭雄，罗志佳，党成雄，韦星船，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：