[發(fā)明專利]一種空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法和應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2022-09-01
• 公開（公告）號: CN115477298B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蔡衛(wèi)權(quán);彭雄;羅志佳;黨成雄;韋星船
• 申請（專利權(quán)）人: 廣州大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J20/20
• 代理公司: 廣州高炬知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 44376
• 代理人: 孔令環(huán)

本發(fā)明公開了一種空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法，屬于吸附材料制備的技術(shù)領(lǐng)域，該方法包括以下步驟：(1)將生物質(zhì)糖、結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和分散劑分散混合后進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得水熱碳；其中，所述結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑為脂肪酸甲酯乙氧基化物，所述糖與所述結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和所述分散劑的質(zhì)量比例為(3?9)：(0.02?0.05)：(0.05?0.1)；(2)將所述水熱碳與草酸鈉混合，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行高溫煅燒，制得所述的空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料。本發(fā)明以生物質(zhì)糖為原料，通過添加高濁點脂肪酸甲酯聚氧乙烯醚和聚電解質(zhì)輔助水熱反應(yīng)制備空心超結(jié)構(gòu)碳材料，所制備的超結(jié)構(gòu)碳材料為空心結(jié)構(gòu)且分散性較好。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及吸附材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳材料具有結(jié)構(gòu)可調(diào)和熱力學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點，被廣泛用作催化劑載體、電化學(xué)材料、能源存儲和吸附材料等。由納米基元組裝而成的微/納尺度球形超結(jié)構(gòu)碳材料不僅繼承了其納米基元的性能，并獲得某些非常規(guī)特性。例如，以球形MOF納米棒為自模板，熱解制備了由納米棒組裝而成的超結(jié)構(gòu)球形碳材料，該材料具有較大的比表面積(2350m2/g)和孔容(2.0cm3/g)，它負(fù)載超細(xì)Pd粒子后對甲酸脫氫表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性(AdvancedMaterials,2019,31,1900440)。

生物質(zhì)衍生糖類化合物是制備碳材料的常用原料。目前，以生物質(zhì)糖類為原料制備碳材料的常用方法有熱解法、硬模板法、軟模板法、水熱法等。其中，水熱法具有能耗低、操作簡便、所制備的碳材料表面富含含氧官能團(tuán)等優(yōu)點。在水熱過程中引入合適的添加劑，可以實現(xiàn)碳材料的形貌調(diào)控。例如，醋酸鎳具有結(jié)構(gòu)導(dǎo)向、催化石墨化和致孔等多重作用，在葡萄糖溶液中加入醋酸鎳并通過水熱碳化、熱解、刻蝕除鎳等步驟，可制備出由厚度為20nm的花瓣片組裝而成的球狀超結(jié)構(gòu)介孔碳材料(Journal of Materials Chemistry A,2014,2,16884-16891)。Li等人(Carbon,2021,176,1-10)提出利用夾層生長策略制備碳超結(jié)構(gòu)材料的思路。以葡萄糖鋅為碳源，水熱過程中加入二氧化硅，有助于C/Zn2SiO4片層復(fù)合物形成，C/Zn2SiO4片層不斷捕獲球形二氧化硅，最終形成交替結(jié)構(gòu)的C/Zn2SiO4超結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。碳化、HF洗滌C/Zn2SiO4復(fù)合材料后可得到厚度小于1nm納米片組成的球形超結(jié)構(gòu)碳材料。在葡萄糖溶液中加入丙烯酸可以得到球形碳超結(jié)構(gòu)(Chemistry of Materials,2009,21,484-490；Angewandte Chemie International Edition,2017,56,600-604；Materials Letters,2017,193,172–175；Chemical Engineering Journal,2018,338,734–744)，然而，該方法所制備的超結(jié)構(gòu)碳球的分散性較差。目前，以生物質(zhì)為原料制備的球形碳超結(jié)構(gòu)以實心為主，而空心球形碳超結(jié)構(gòu)還鮮有報道。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述問題，本發(fā)明提供一種空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料及其制備方法和應(yīng)用，以解決上述問題。

本發(fā)明的目的采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)將生物質(zhì)糖、結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和分散劑分散混合后進(jìn)行水熱反應(yīng)，制得水熱碳；其中，所述結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑為脂肪酸甲酯乙氧基化物，所述糖與所述結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑和所述分散劑的質(zhì)量比例為(3-9)：(0.02-0.05)：(0.05-0.1)；

(2)將所述水熱碳與活化劑草酸鈉混合，在保護(hù)氣氛下進(jìn)行高溫煅燒，制得所述空心球狀超結(jié)構(gòu)碳材料；其中，所述水熱碳與所述草酸鈉的質(zhì)量比例為1：(1-5)。

作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的實施方式，所述糖為木糖、核糖、阿拉伯糖中的一種或幾種。

作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的實施方式，所述分散劑為聚丙烯酸鈉和/或聚(4-苯乙烯磺酸-共聚-馬來酸)鈉鹽。