一锅法制备中空碳球的方法及应用技术

本申请包括一种一锅法制备中空碳球的方法及应用。包括以下步骤：将含有软模板剂的原料与溶剂混合，然后加入造孔剂、催化剂、酚和醛，发生酚醛缩合反应，非活性气体气氛下碳化，得到中空碳球；与传统的制备方法相比，本申请工艺简便易行，便于操作，模板在高温碳化过程中即可自动除去，无需酸碱溶剂，方法简单经济，对环境友好，有利于规模化生产。而且所得的中空碳球的中空结构与有序介孔孔道相连接，提高了传质和比表面积，具有低密度，稳定性好，尺寸均一，产量高且稳定。因此，本发明专利技术方法制备得到的具有贯通介孔结构中空碳球在吸附、催化、传感、纳米医药、能量储存与转化与分离等方面具有很大的潜在实用价值。有很大的潜在实用价值。

【技术实现步骤摘要】
一锅法制备中空碳球的方法及应用


[0001]本专利技术属于多级孔碳材料制备
，具体地涉及一种一锅法制备中空碳球的方法及应用。

技术介绍

[0002]近年来，研究开发具有不同形态、不同孔隙度和不同结构的多孔碳材料，特别是具有分级孔的碳骨架材料，即介孔或微孔与大孔相结合的多孔碳材料吸引了研究者的广泛关注。当这些碳材料具有等级孔隙度、不同尺寸的连通孔隙时，它们的潜在应用价值就会增加。由于多级孔碳球具有优良的物理和化学性质，比如较大的表面积、低密度、较高的机械稳定性和化学惰性(耐酸性和碱性环境)、良好的生物相容性和优良的运载能力等，在能量储存与转化、吸附与分离、催化、载药等方面具有很大的应用前景。
[0003]多级孔碳球在国内外均有发展，但是合成方法较为复杂。特别是多级孔中空碳球，大多采用硬模板法制备，需要酸碱等苛刻的条件进一步除去模板，耗时长、资源浪费严重，不符合“绿色化学”与可持续发展的原则，同时会造成污染，更不容易放大生产，因此开发简单的合成方法并提高产量在该领域有着独特的意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术属于一种贯通介孔的中空碳球的制备方法，采用软模板一锅合成，方法简单，产品分散性好，产量较高并且产出稳定，具有独特的中空结构而且有连接内外的垂直的介孔孔道。
[0005]本专利技术旨在通过一些离子型活性剂形成囊泡作为模板，再与两性三嵌段共聚物结合，在氨水催化下，聚合单体和甲醛进行聚合反应。氟碳表面活性剂囊泡模板可以形成中空结构，两性三嵌段共聚物可以造出介孔，1,3,5r/>‑
三甲苯可以进一步扩孔。最后离心洗涤，干燥后获得表面活性剂/聚合单体
‑
甲醛树脂复合材料，最后在惰性气体氛围下将聚合物碳化，表面活性剂除去获得具有贯通介孔的中空碳球。该方法操作简单、成本低廉，并且产量较高，产品均匀，产出稳定，具有商品化前景。
[0006]本专利技术的目的是通过如下措施来达到。
[0007]根据本申请的一个方面，提供一种一锅法制备中空碳球的方法，包括以下步骤：
[0008]将含有模板剂、造孔剂、催化剂、酚和醛的原料与溶剂混合，反应，非活性气体气氛下碳化，得到中空碳球；
[0009]所述模板剂选自氟碳表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种；
[0010]所述模板剂的量为1～65mg/mL溶剂。
[0011]所述造孔剂为聚氧乙烷(PEO)聚氧丙烷(PPO)聚氧乙烷(PEC)三嵌段共聚物(PEO PPO PEO)；
[0012]优选地，造孔剂选自F127、F108、P123中的一种；
[0013]所述造孔剂与模板剂的质量比为0.1～20。
[0014]所述催化剂为氨水；
[0015]所述氨水的浓度为25～28wt％，用量为1～40μL/mL溶剂。
[0016]所述酚选自间苯二酚、3
‑
氨基酚、对苯二酚中的至少一种，用量为1～50mg/mL溶剂；
[0017]所述醛为甲醛；甲醛为质量浓度为37％的水溶液；
[0018]所述醛与酚的用量比为甲醛：酚＝1～2000μL:0.01～4g。
[0019]所述溶剂为醇水溶液；其中，所述醇水溶液中的醇为乙醇；水与醇的体积比为0.1～20。
[0020]所述反应温度为20～70℃；
[0021]所述反应时间为1～30h。
[0022]所述非活性气体选自氮气、氩气、氦气；
[0023]所述碳化包括第一阶段和第二价段；
[0024]所述第一阶段是以5～15℃/min升温至300～450℃，保温3～6h；
[0025]所述第二阶段是以5～10℃/min升温至700～1000℃，保温3～6h。
[0026]所述原料中还包括1,3,5
‑
三甲苯；
[0027]所述1,3,5
‑
三甲苯的加入量为1～60μL/mL溶剂。
[0028]根据本申请的另一个方面，提供一种中空碳球，所述中空碳球是根据权利要求1～8所述的方法制备的。
[0029]所述中空碳球具有贯通的介孔；
[0030]所述中空碳球的比表面积为500～800m2/g；
[0031]所述中空碳球的介孔孔径为4～10nm；
[0032]所述中空碳球的的粒径为400～500nm。
[0033]根据本申请的另一个方面，提供一种上述的中空碳球在染料吸附中的应用，所述中空碳球在水中分散，去除水中的染料。
[0034]本专利技术与现有技术相比，有显著的优点：
[0035](1)采用软模板方法，一锅合成，而且模板在高温碳化过程中即可自动除去，方法简单经济，对环境友好；
[0036](2)中空结构与介孔孔道有效结合，这种等级孔结构提高了传质和比表面积，具有低的密度，稳定的性质，它们的潜在应用价值大大增加；
[0037](3)产品具有介孔结构，比表面高，而且产量较高，产出稳定。
附图说明
[0038]图1为本专利技术实施例1制备的介孔中空碳球的透射电镜图，图1a的标尺为200nm，图1b的标尺为100nm；
[0039]图2为本专利技术实施例1制备的介孔中空碳球的扫描电镜图；
[0040]图3为本专利技术实施例1制备的介孔中空碳球的氮吸附数据图；
[0041]图4为本专利技术实施例1制备的介孔中空碳球的孔径分布图；
[0042]图5为本专利技术实施例1制备的介孔中空碳球在水中的分散情况和对水中荧光染料异硫氰酸荧光素的吸附情况。
具体实施方式
[0043]下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。
[0044]如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买，其中间苯二酚购买自安耐吉化学，3
‑
氨基酚，对苯二酚购买自上海沪氏化学试剂，氟碳表面活性剂购买自上海瀛正科技有限公司，十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠购买自西格玛试剂，甲醛，氨水和乙醇购买自上海国药集团化学试剂有限公司。
[0045]本申请的实施例中分析方法如下：利用透射电镜(HT7700,日本)，扫描电镜(Hitachi
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S5500,日本)对合成的酚醛树脂聚合物进行形貌表征；利用氮气吸脱附仪(ASAP 2460)对材料的比表面积和孔径分布进行表征。
[0046]模板剂F127的来源，其生产厂家为Sigma Aldrich，货号为P2443，摩尔重量12600g/mol，但不限于此来源，其它生产厂家的F127，只要能达到相同的技术效果，均适用于本专利技术。
[0047]实施例1
[0048]称取1.2g F127和0.48g氟碳表面活性剂溶于15mL水和25mL乙醇的混合溶剂中，在30℃搅拌下加入0.8mL 1,3,5
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三甲苯和1.2mL氨水，然后加入0.6g间苯二酚和0.85mL甲醛，经过8h的持续搅拌，将产物离心出来本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种一锅法制备中空碳球的方法，其特征在于，包括以下步骤：将含有软模板剂、造孔剂的原料与溶剂混合，然后加入催化剂、酚和醛，发生酚醛缩合反应，非活性气体气氛下碳化，得到中空碳球；所述软模板剂选自氟碳表面活性剂、十二烷基苯磺酸钠、十二烷基磺酸钠中的一种。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述软模板剂的量为1～65mg/mL溶剂；所述造孔剂为两性嵌段共聚物；优选地，所述造孔剂选自F127、F108、P123中的一种；所述造孔剂与软模板剂的质量比为0.1～20。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述催化剂为氨水；所述氨水的浓度为25～28wt％，用量为1～40μL/mL溶剂。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酚选自间苯二酚、3
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氨基酚、对苯二酚中的至少一种，用量为1～50mg/mL溶剂；所述醛为甲醛；甲醛为质量浓度为37％的水溶液；所述醛与酚的用量比为甲醛：酚＝1～2000μL:0.01～4g。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述溶剂为醇水溶液；所述醇水溶液中的醇为乙醇；水与醇的体积...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘健，田强，景铃胭，苏盼盼，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：