一种亚胺基中空碳球及其无模板制备方法技术

本发明专利技术公开了一种亚胺基中空碳球及其无模板制备方法，该制备方法首先形成对苯二甲醛分散液和间苯二胺分散液，混合后进行水热反应，生成碳材料前驱体，本发明专利技术提供了一种无需刻蚀步骤的无模板法制备球径均一、合成方法简单的、适合工业化生产的亚胺基中空碳球的制备方法。大大简化了制备中空碳球前驱体的过程，为工业化生产提供依据。为工业化生产提供依据。为工业化生产提供依据。

【技术实现步骤摘要】
一种亚胺基中空碳球及其无模板制备方法


[0001]本专利技术属于碳材料
，具体涉及一种亚胺基中空碳球及其无模板制备方法。

技术介绍

[0002]碳材料(活性炭、碳纳米管、石墨烯)因为其比表面积大、机械强度高、导电性能好等特点在很多领域得到了广泛的研究，例如，能量的存储和转换、光催化、电催化、气体和水处理以及生物医学等。在众多的碳材料中，中空碳球(HCSs)除了上述碳材料的优点外，还具有均匀性高、高比表面积(SSA)、内部空隙空间大、可调孔隙率和高渗透率等优点。因此，HCSs被广泛应用于吸附、催化、燃料电池、药物输送、纳米反应器和超级电容器等领域。
[0003]现在，制备中空碳球的方法主要有硬模板法、软模板法和自模板法。硬模板法是一种有效的策略，以价格低廉、易于控制的材料为模板，然后用物理或化学方法去除模板，广泛应用于HCSs的合成。通常，硬模板方法需要四个步骤。首先，制备一个具有特定形态的刚性固体模板。然后，对制备的模板表面进行修饰或功能化，以提高吸附能力。接着，将碳前体(即多巴胺、PAN、PAA、P123、P127)包裹在所制备的模板表面。最后，通过溶液蚀刻或高温降解去除所制备的模板。去除这些硬模板时常用到腐蚀性较强、毒性较大的试剂，对环境的污染较大。相比之下，软模板法可以通过高温热解去除模板，比硬模版法更容易操作。但是，这两个方法制备的过程较为复杂，不但成本高而且耗时，这就导致在工业上难以实现，也不利于中空碳球实际应用的推广。
[0004]聚合物球可以通过自组装或自模板的方法直接合成，然后通过煅烧处理转化为空心碳球。利用醛与胺之间的席夫碱反应制备亚胺基中空碳球前驱体，再碳化即可得到中空碳球。虽然利用席夫碱反应可以制备出形貌均匀的HCSs，但是，在形成中空结构的过程中，需要对前驱体实心球进行选择性刻蚀。这大大增加了制备过程的复杂性，不利于工业化生产。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种亚胺基中空碳球及其无模板制备方法，以解决现有技术中制备中空碳球过程复杂，不利于工业化生产的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，将对苯二甲醛分散在溶剂中，形成对苯二甲醛胶体溶液；将间苯二胺分散在溶剂中，形成间苯二胺分散液；向间苯二胺分散液中加入酸性溶液调整pH值；混合对苯二甲醛胶体溶液和调整pH值后的间苯二胺分散液，形成反应体系；对苯二甲醛胶体溶液中对苯二甲醛和间苯二胺分散液中间苯二胺的摩尔比为2:(0.2～1)，反应体系水热反应后，将反应产物过滤洗涤后，冷冻干燥即可获得具有中空结构的碳材料前驱体；
[0009]步骤2，将碳材料前驱体煅烧碳化后，获得亚胺基中空碳球。
[0010]本专利技术的进一步改进在于：
[0011]优选的，步骤1中，对苯二甲醛胶体溶液中，溶剂为乙二醇或水，对苯二甲醛和溶剂的混合比例为：2mmol:1
‑
30mL。
[0012]优选的，步骤1中，间苯二胺分散液中，溶剂为乙二醇或水，对苯二甲醛和溶剂的混合比例为：1mmol:1
‑
30mL。
[0013]优选的，步骤1中，所述酸性溶液为乙酸，调整pH值后的间苯二胺分散液pH值为5。
[0014]优选的，混合对苯二甲醛胶体溶液和调整pH值后的间苯二胺分散液，搅拌成亮黄色均匀的悬浮液后，形成反应体系。
[0015]优选的，步骤1中，水热反应温度为180℃，反应时间为3h。
[0016]优选的，步骤1中，将反应产物通过无水乙醇和去离子水进行反复洗涤后，冷冻干燥获得碳材料前驱体。
[0017]优选的，步骤2中，煅烧温度为600
‑
800℃，煅烧时间为1
‑
6h。
[0018]一种通过上述任意一项无模板制备方法制得的亚胺基中空碳球，所述中空碳球的内部为空心，所述亚胺基中空碳球的直径范围为200
‑
670nm：
[0019]优选的，所述亚胺基中空碳球的壁厚范围为40
‑
90nm。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0021]本专利技术公开了一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，该制备方法首先形成对苯二甲醛分散液和间苯二胺分散液，混合后进行水热反应，生成碳材料前驱体，本专利技术提供了一种无需刻蚀步骤的无模板法制备球径均一、合成方法简单的、适合工业化生产的亚胺基中空碳球的制备方法。该方法通过控制苯二甲醛和间苯二胺的混合比例，使得对苯二甲醛的含量大于间苯二胺含量，醛含量的为富裕状态，利用对苯二甲醛溶解度低，在反应初期作为“核”，搅拌过程中，对苯二甲醛和间苯二胺混合反应生成聚合物，生成的聚合物沉积在其表面形成球体。随后，随着反应体系温度的升高，内部的“核”(对苯二甲醛)溶解，从而直接能够生成亚胺基中空碳球前驱体。该方法无需生成实心球后再刻蚀，该制备方法简单，一步水热即可得到中空碳球前驱体，形貌完整、分散均匀、尺寸均一。大大简化了制备中空碳球前驱体的过程，为工业化生产提供依据，本专利技术所选用的试剂价格便宜，制备碳前驱体(HPSs)的过程，时间短、能耗低。
[0022]进一步的，该方法通过控制间苯二胺的加入量，使得能够调控形成的中空碳球的壁厚，使得中空碳球的壁厚可控。
附图说明
[0023]图1实施例1制备的中空碳球的扫描电镜图；
[0024]图2实施例1制备的中空碳球的投射电镜图；
[0025]图3实施例1制备的中空碳球的等温吸附曲线和孔径分布图。
[0026]图4实施例10制备的中空碳球的投射电镜图。
[0027]图5实施例11制备的中空碳球的投射电镜图。
[0028]图6实施例12制备的中空碳球的投射电镜图。
具体实施方式
[0029]下面结合附图和具体的实施例对本专利技术进一步的描述。
[0030]本专利技术公开了一种亚胺基中空碳球无模板制备方法，该中空碳球的制备方法具体包括以下步骤：
[0031]步骤1，前驱体的制备过程如下：
[0032](1)将2mmol对苯二甲醛分散在1
‑
30mL乙二醇或者水溶液中，通过超声分散形成对苯二甲醛胶体溶液；将0.2
‑
1mmol间苯二胺分散在1
‑
30mL乙二醇或者水溶液中，通过超声分散形成均匀的间苯二胺分散液。
[0033](2)向间苯二胺分散液中加入0
‑
2mL，6mol/L乙酸溶液，调节pH至5.0，为下一步的对苯二甲醛和间苯二胺反应有催化作用。
[0034](3)将步骤(1)形成溶液缓慢地滴入对苯二甲醛分散溶液中，同时搅拌直到溶液变为亮黄色均匀的悬浮液。
[0035](4)将悬浮液转移到一个水热反应釜中，并在180℃下保温3小时。反应结束后，将产物体系过滤后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将对苯二甲醛分散在溶剂中，形成对苯二甲醛胶体溶液；将间苯二胺分散在溶剂中，形成间苯二胺分散液；向间苯二胺分散液中加入酸性溶液调整pH值；混合对苯二甲醛胶体溶液和调整pH值后的间苯二胺分散液，形成反应体系；对苯二甲醛胶体溶液中对苯二甲醛和间苯二胺分散液中间苯二胺的摩尔比为2:(0.2～1)，反应体系水热反应后，将反应产物过滤洗涤后，冷冻干燥即可获得具有中空结构的碳材料前驱体；步骤2，将碳材料前驱体煅烧碳化后，获得亚胺基中空碳球。2.根据权利要求1所述的一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，其特征在于，步骤1中，对苯二甲醛胶体溶液中，溶剂为乙二醇或水，对苯二甲醛和溶剂的混合比例为：2mmol:1
‑
30mL。3.根据权利要求1所述的一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，其特征在于，步骤1中，间苯二胺分散液中，溶剂为乙二醇或水，对苯二甲醛和溶剂的混合比例为：1mmol:1
‑
30mL。4.根据权利要求1所述的一种亚胺基中空碳球的无模板制备方法，其特征在于，步骤1中，所述酸性溶液为乙酸，调整p...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈利君，尹洪峰，吴振鹏，杜玮雯，杨絮，景岳，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：