[發明專利]一種超高比表面積中空炭納米球及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201510010474.9
• 申請日: 2015-01-09
• 公開（公告）號: CN104591127B
• 公開（公告）日: 2016-11-09
• 發明（設計）人: 吳丁財;徐飛;黃思琦;符若文;唐志偉
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 張燕玲

技術領域

本發明屬于納米材料技術和能源科學領域，具體涉及一種超高比表面積中空炭納米球及其制備方法與應用。

背景技術

作為一種重要的球狀納米材料，空心炭納米球不僅保持納米孔炭材料的比表面積大、低密度、高強度和化學穩定性好等特點，而且具有獨特的炭外殼層結構及其包圍而成的球狀納米空心腔，在眾多領域受到廣泛地關注，可望用于納米反應器、吸附分離、催化劑載體、能源存儲材料等領域。因此，可控制備空心炭納米球成為多孔炭材料研究領域的前沿之一。這些應用往往要求空心炭納米球具有高度發達的孔結構與比表面積，同時粒徑在納米尺度可調可控。

目前為止，模板法被公認為是制備空心炭納米球最成熟的方法。它是最可能實現空心炭納米球可控制備的方法之一。模板法的具體步驟包括在預定的模板納米粒子(例如二氧化硅球、聚合物球、金屬氧化物等)表面，包覆或者聚合炭殼層前驅體，經高溫碳化、模板去除，得到空心炭納米球。模板法的優點是通過調整模板粒子大小，能夠獲得尺寸均一、大小可控的納米球。但是，模板法也存在著一些局限性，比如，需要預先制備單模板粒子，同時模板表面需要修飾來解決模板/炭前驅體界面相容性問題，最后還需要模板的去除步驟，實驗操作繁瑣，有時污染環境(比如用HF苛蝕SiO₂)。當單模板粒子尺寸小于100nm時，特別容易團聚，導致模板法制備的炭材料粒徑很難控制在100nm以下，制約著空心炭球在納米尺度下特異的物理與化學性能的研究。另外需要指出的是，目前所報道的空心炭納米球的BET比表面積都不超過1800m²/g。我們知道，在一些應用領域，比表面積是性能能否取得突破的決定性因素，比如作為吸附材料、超級電容器電極材料；另一方面，降低空心球粒徑至納米尺度，能夠縮短傳輸距離，極大提高傳質性能。采用活化鑿孔可以獲得超高比表面積，然而苛刻的活化會導致空心納米形貌的坍陷。因此，制備比表面積極高(比如3000m²/g)，并且粒徑小于100nm的尺寸均一、大小可控的空心炭納米球是該研究領域的空白，也成為該領域面臨的挑戰之一。

發明內容

為解決現有技術的缺點和不足之處，本發明的首要目的在于提供一種超高比表面積中空炭納米球。

本發明的另一目的在于提供一種超高比表面積中空炭納米球的制備方法。該制備方法獲得的炭納米球材料具有高的比表面積，極低的納米粒徑，并且尺寸均一、大小可控。

本發明的再一目的在于提供上述超高比表面積中空炭納米球的應用。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種超高比表面積中空炭納米球，該納米球BET比表面積為378～3022m²/g，總孔容為0.3～2.43cm³/g，納米球具有微孔/介孔殼層-中空腔的納米結構，其中中空腔直徑為19～58nm，外徑為69～126nm。

一種超高比表面積中空炭納米球的制備方法，具體步驟如下：

(1)在室溫下，將有機單體苯胺和吡咯加入到兩性分子表面活性劑的水溶液中，攪拌及超聲分散，然后置于冰水浴中攪拌30～60min，再加入引發劑水溶液，攪拌10～40s，在冰水浴條件下靜置反應1～24h，再將產物洗滌和干燥，得到中空炭納米球前驅體；

(2)將步驟(1)制得的中空炭納米球前驅體進行高溫炭化處理，得到所述超高比表面積中空炭納米球。

步驟(1)所述的攪拌及超聲分散苯胺和吡咯的總時間為30～120min，使苯胺和吡咯充分溶解在表面活性劑溶液中。

步驟(1)所述的吡咯和苯胺的用量比為(1.125～0.500)mL:1mL。

步驟(1)所述的兩性分子表面活性劑為Triton?X-100(中文名稱為聚乙二醇辛基苯基醚)，其與吡咯和苯胺總用量的比例為1g:(7.3～15.0)mL。

步驟(1)所述的吡咯和苯胺的總用量與兩性分子表面活性劑的水溶液中的水的比例為(0.0067～0.0180)mL：1g。

步驟(1)所述的引發劑水溶液中的引發劑為過硫酸銨，過硫酸銨與吡咯和苯胺總用量的比例為(1.00～6.27)g：1mL。

步驟(1)所述的引發劑水溶液在加入前預先冷卻至0～5℃；所述洗滌是指將產物用去離子水多次洗滌，并減壓過濾，直到濾液接近中性。

步驟(2)所述高溫炭化處理是在惰性氣氛中以2～10℃/min的升溫速率升溫至600～1000℃，炭化3～20h。