[發明專利]一種碳中空球及其制備方法

有效

• 申請號: 201110002802.2
• 申請日: 2011-01-07
• 公開（公告）號: CN102020268A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發明（設計）人: 郭玉國;辛森;萬立駿
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;C01B31/00
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢

技術領域

本發明涉及一種碳中空球及其制備方法，屬于納米中空球體材料制備領域。

背景技術

碳中空球是一類具有特殊結構的功能材料，在能源、催化、醫療等領域均有著廣泛的應用。近年來，隨著鋰離子電池在便攜式電子產品、電動汽車和即插式混合電動車中研究的日益深入，人們發現碳中空球不但可作為多種電池活性物質的導電載體，還可直接作為電極活性物質使用，因而對其投以廣泛的關注。目前，碳中空球的化學制備主要是采用模板法和無模板法進行，模板法主要采用具有可碳化殼層的核殼結構復合球，通過高溫燒結使殼層部分裂解成碳并除核形成中空結構，此類方法通常需要昂貴的模板球，過程復雜產率低下，難以工業化生產，而無模板法主要通過金屬和含碳溶劑的熱還原法來制備，此類方法對反應條件要求苛刻，并且對產物結構形貌的控制力較差。

基于以上原因，本方法提出碳中空球及其制備方法，該方法采用價廉易得的無機模板球為原料，通過簡單的工藝即可得到形貌尺寸均一可控的碳中空球，具有很強的實用性，并可用于工業化生產。

綜上所述，需要提供一種原料廉價易得、具有實用性、適于工業化生產且能得到形貌尺寸均一的碳中空球的制備方法。

發明內容

本發明的目的是提供一種形貌尺寸均一的碳中空球及其制備方法。

本發明提供的碳中空球的制備方法，包括如下步驟：

1)苯乙烯類化合物在溶有引發劑和穩定劑的二氧化硅球分散液中進行聚合反應得到外層包覆有聚苯乙烯層的二氧化硅球；

2)所述外層包覆有聚苯乙烯層的二氧化硅球經過磺化反應得到外層包覆有磺化聚苯乙烯層的二氧化硅球；

3)將所述外層包覆有磺化聚苯乙烯層的二氧化硅球進行燒結得到外層包覆有碳層的二氧化硅球；

4)所述外層包覆有碳層的二氧化硅球與堿或酸反應即得所述碳中空球。

上述的制備方法中，步驟1)所述苯乙烯類化合物為苯乙烯和二乙烯基苯中至少一種；所述二氧化硅球為單分散二氧化硅球；所述二氧化硅球的直徑為150nm-1000nm，如220nm、300nm或1000nm。

上述的制備方法中，步驟1)所述二氧化硅球可通過包括以下步驟的方法制備：正硅酸乙酯在氨水的作用下發生水解反應即得所述二氧化硅球；所述水解反應的溶劑可為甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、乙二醇，以及其它極性醇類溶劑；所述正硅酸乙酯、氨水與溶劑的體積份數比可為1∶(1-5)∶(3-20)，如1∶2∶12、1∶3.6∶19.4、1∶1∶3；所述水解反應的溫度可為25℃-40℃，如25℃或30℃；所述水解反應的時間可為3小時-12小時，如4小時、6小時或12小時。

上述的制備方法中，步驟1)所述引發劑可為2，2′-偶氮[2-(2-咪唑啉-2-基)丙烷]二鹽酸鹽；所述穩定劑可為聚乙烯吡咯烷酮，其重均分子量可為350,000g/mol-600,000g/mol；步驟1)所述聚合反應的溶劑可為水。

上述的制備方法中，步驟1)所述聚合反應的溫度可為60℃-80℃，如60℃或80℃；所述聚合反應的時間可為6小時-48小時，如12小時或48小時。

上述的制備方法中，步驟1)所述二氧化硅球分散液中所述二氧化硅球的質量-體積濃度可為1mg/mL-100mg/mL，如10mg/mL、12mg/mL或16mg/mL；所述二氧化硅球分散液中所述引發劑和穩定劑的摩爾濃度分別可為1mmol/L-80mmol/L，如7.37mmol/L、19.17mmol/L或36.87mmol/L和0.02mmol/L-50mmol/L，如0.03mmol/L、0.0333mmol/L或0.0857mol/L；所述苯乙烯類化合物的摩爾濃度可為1mmol/L-50mmol/L，如38.4mmol/L或48.01mmol/L。

上述的制備方法中，步驟2)所述磺化反應的磺化劑可為濃硫酸、焦硫酸、發煙硫酸、三氧化硫、氯磺酸和氨基磺酸中至少一種；所述外層包覆有聚苯乙烯層的二氧化硅球與所述磺化劑的質量份數比可為1∶(10-30)，如1∶10、1∶15或1∶20；所述磺化反應的溫度可為0℃-150℃，如0℃、50或60℃；所述磺化反應的時間可為0.5小時-48小時，如0.5小時、4小時或48小時；所述磺化反應的終止劑可為水、乙醇、丙酮和四氫呋喃中至少一種。

上述的制備方法中，步驟3)所述燒結可在惰性氣體中進行；所述惰性氣體可為氮氣、氬氣或氦氣中至少一種；所述燒結的溫度可為400℃-1200℃，如600℃、900℃、或1200℃；所述燒結的時間可為2小時-10小時，如3小時、4小時或5小時。