[发明专利]一种蛋黄-蛋壳结构层次多孔碳颗粒的制备方法

说明书

 

技术领域

   本发明属于无机纳米材料合成领域，具体涉及一种亚微米蛋黄-蛋壳结构层次多孔碳颗粒的制备方法。

 

技术背景

    蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒作为特殊的结构形貌，与核壳结构微纳米颗粒不同，蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒中的核是可以移动的，这种特殊的结构具有特殊的性能。近来，蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒引起了各方的广泛兴趣，蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒在催化，电极，以及生物药物领域具有新的应用。通常，制备蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒的方法主要有以下几种：1通过形成，类似三文治结构的颗粒，即核壳壳结构;2利用Kirkendall 效应或者重力取代，使核壳结构转变成为蛋黄-蛋壳结构。3是选择性地溶解核壳结构，使核壳结构转变成为蛋黄-蛋壳结构。目前，合成蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒的主要是无机-无机或无机-有机形式的蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒，而碳-碳蛋黄-蛋壳结构微纳米颗粒未有报道。另外，目前制备蛋黄-蛋壳结构微纳米颗粒的制备方法产业化的困难，工艺繁琐。因此，采用能够产业化的制备技术，有利于蛋黄-蛋壳结构纳米颗粒的深入研究及推广应用。

发明内容

   本发明的目的在于提供一种亚微米蛋黄-蛋壳结构碳纳米颗粒的制备方法。利用聚苯乙烯中空微球作为模板，高效制备具有蛋黄-蛋壳结构的碳纳米颗粒。

   本发明的技术方案是：一种蛋黄-蛋壳结构层次多孔碳颗粒的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：称取间苯二酚和甲醛混合均匀，再加入去离子水搅拌2小时，形成均匀的碳源前驱溶液Ⅰ，备用；其中，所述间苯二酚与甲醛之摩尔比为1:2，间苯二酚-甲醛在碳前驱溶液中的质量分数为30wt%~60wt%；

步骤2：将平均粒径为400纳米的具有中空结构的聚苯乙烯微球加入到步骤1得到碳源前驱溶液Ⅰ中，密封室温放置24~72小时使其发生反应，然后离心清洗，得到酚醛树脂-聚苯乙烯核壳结构；其中，聚苯乙烯微球与碳源前驱溶液Ⅰ质量比为1: 3-5；

步骤3： 将步骤2中的酚醛树脂-聚苯乙烯核壳结构分散于水中，加浓度大于 1mol/L的乙酸或硫酸浸泡12小时以上，然后离心清洗，得到核壳结构的颗粒，其中，酚醛树脂-聚苯乙烯核壳结构与酸溶液的质量比为3:1；

步骤4：在称取间苯二酚和甲醛混合均匀，再加入去离子水，再加入1ml的浓度为1mol/L的氢氧化钠搅拌5小时，形成均匀的碳源前驱溶液Ⅱ，将步骤3得到产物加入碳源前驱溶液Ⅱ中，搅拌分散6小时，离心清洗得到树脂-聚苯乙烯-树脂的三文治结构复合颗粒，其中，所述产物3与碳源前驱溶液Ⅱ体积比为1:3-5，所述间苯二酚与甲醛之摩尔比为1:2，间苯二酚-甲醛在碳前驱溶液中的质量分数为30wt%~60wt%；

步骤5： 步骤4制得的产物60-80℃干燥，然后在高温炉中碳化，以0.1L/分钟的速度通入氩气保护，以5K/分钟的速度升温至100-120℃，烘干1小时去除水汽，然后以5K/分钟的速度升温至400℃，保温3小时后，以5K/分钟的速度升温至900℃碳化4小时然后通入二氧化碳进行活化，得到蛋黄-蛋壳结构层次多孔碳颗粒。

本发明特点如下：

（1）    提供一种制备蛋黄-蛋壳结构碳颗粒的新方法，与常规制备三文治结构的颗粒的核-壳-壳制备方法不同，本发明采用壳-核心-最外层壳的制备方法。对于特定的材料（例如碳-碳蛋黄-蛋壳结构颗粒），这种方法更加方便有效。

（2）    本发明制备的蛋黄-蛋壳结构碳颗粒，粒径均匀，形貌均一，并且具有层次梯度孔分布，有利于离子的扩散。

（3）    本发明制备的蛋黄-蛋壳结构碳颗粒,核心的碳的孔径可调，外壳厚度及孔可调。

（4）    本发明所用的设备简单；所用的原料均为常用的化工原料，成本低；工艺简单；有利于规模化的工业生产。

   附图说明

   图1为步骤1，2反应完成后得到的核壳结构颗粒微观示意图。

   图2为得到的树脂-聚苯乙烯-树脂核-壳-壳颗粒微观示意图。

   图3为去除聚苯乙烯后得到的树脂-树脂蛋黄-蛋壳结构颗粒微观示意图。

   图4为直接碳化树脂-聚苯乙烯-树脂核-壳-壳颗粒直接碳化得到碳碳蛋黄-蛋壳颗粒微观示意图。

具体实施方案

下面结合附图和实例对本发明的实施进一步进行说明，但本发明的实施不限于此。