[發明專利]一種基于抗壞血酸的水熱碳化反應制備碳微球的方法

在審

• 申請號: 201710170639.8
• 申請日: 2017-03-21
• 公開（公告）號: CN106824026A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發明（設計）人: 周雪皎;徐良友
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: B01J13/02
• 分類號: B01J13/02;C01B32/15;C01B32/05
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司61201
• 代理人: 高雪霞

技術領域

本發明涉及一種碳質微納米材料的制備方法，具體涉及一種利用水熱反應以生物質材料抗壞血酸為碳源的碳微球的制備方法。

背景技術

碳微球作為一種新型功能碳材料，具有許多優異的性能，比如大的比表面積、良好的化學穩定性和熱穩定性、較高的導熱導電性等?；谄洫毺氐男蚊埠蛢灝惖男阅埽嘉⑶蛟诖呋瘎┹d體、藥物傳輸、色譜分離、吸附催化、電極材料以及增強型復合材料等眾多領域極具開發潛力和應用前景。

關于碳微球的制備方法主要有模板法、化學氣相沉積法、電弧放電法、高溫熱解法和水熱法等。水熱碳化法是在水熱條件下，碳水化合物發生脫水和聚合反應而形成碳微球。相較其它制備方法而言，水熱碳化法具有原料來源廣、成本低、反應條件溫和等優點。此外，碳微球表面含有豐富的含氧官能團，借此可以通過化學修飾實現碳微球表面性能的調控。同時，可通過改變反應條件，例如反應溫度、反應時間、體系pH值和前驅體濃度等有效控制產物的形貌和大小分布。因此，水熱碳化法是一種有效的碳微球的制備方法。目前，研究發現多種糖類分子可用作前驅體制備碳微球，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉和纖維素。例如，2004年，Sun等在《Angewandte Chemie Int Ed》(2004,43,597)上發表了題為“Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles”的文章，作者以葡萄糖為碳源，采用水熱碳化法在160～180℃條件下制備出粒徑在150～1500nm的碳微球。2008年，Yuan等發表了題為“Preparation of monodisperse carbon nanospheres for electrochemical capacitors”的文章，該文作者以蔗糖為碳源，利用水熱碳化法合成碳微球，并使用熔融的氫氧化鉀溶液對產物進行活化處理，制得粒徑為100～150nm的碳微球。然而，利用糖類化合物的水熱碳化反應制備得到的碳微球往往存在著嚴重的團聚交聯現象，不利于碳微球的后處理和應用。為了解決分散性差的問題，研究發現可在水熱體系中加入酸，其中H⁺離子在糖分子的脫水和縮合過程中起到催化作用。例如，Yuan2011年，Jiang等在《Materials Science Forum》(2011,685,123-129)上發表了題為“Synthesis of Colloidal Carbon Spheres by Hydrothermal Carbonization of Glucose at Different Initial pH”的文章，該文作者通過控制反應體系pH值制備了不同尺寸的碳微球，成功解決了碳微球團聚交聯的問題。然而，催化劑的添加不可避免地會引入雜質元素，其對碳微球的性能會產生顯著影響。因此，尋求一種更簡單易控、無雜質引入的分散性好的碳微球的制備方法具有重要意義。

發明內容

本發明所要解決的問題在于針對現有技術制備碳微球存在的上述不足，提供一種通過水熱碳化法以抗壞血酸為原料、在不引入任何雜質元素的條件下制備單分散碳微球的方法。

解決上述技術問題所采用的技術方案是：將質量-體積濃度1.0～200mg/mL的抗壞血酸水溶液加入水熱反應釜中進行水熱反應，水熱反應溫度為120℃～300℃，水熱反應時間為1～20小時，得到碳微球。

上述抗壞血酸水溶液濃度優選10～100mg/mL。

上述的水熱反應溫度優選150℃～280℃，水熱反應時間優選3～12h。

本發明制備方法還可進一步優選通過NaOH、KOH或鹽酸調節抗壞血酸水溶液的初始pH值調節在2～7，以控制制備的碳微球的尺寸。

本發明以抗壞血酸作為反應物，利用抗壞血酸自身所帶的羧基電離出的H⁺離子作為催化劑，在水熱條件下通過抗壞血酸分子發生脫水和縮合反應，制備得到單分散且大小均一的碳微球，并能通過調節反應物的濃度或pH值制備不同尺寸的碳微球。與現有技術相比，本發明制備方法簡單，無需加入任何催化劑，制備得到的微納米級碳微球分散性良好、大小均一，且表面富含有機官能團。

附圖說明

圖1是實施例1制備的碳微球的SEM圖。

圖2是實施例2制備的碳微球的SEM圖。

圖3是實施例3制備的碳微球的SEM圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明進一步詳細說明，但本發明的保護范圍不僅限于這些實施例。

實施例1