[发明专利]一种纳米C/Si复合空心球材料及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明属于新型介孔功能材料技术领域，具体涉及一种纳米C/Si复合空心球及其制备方法。

背景技术

近些年来，C/Si复合空心微球由于其独特的特性如密度小，比表面积大，热稳定性和表面渗透性好以及较大的内部空间而受到越来越多的关注和研究。Ryoo研究小组[Jun S，Joo S H， Ryoo R， Kruk M， Jaroniec M， Liu Z，Ohsuna T. J．Am．Chem．Soc．2000，122，10712-10713]以介孔材料MCM-41为硬模板，在其孔道内填充蔗糖作为碳源，硫酸为炭化催化剂，合成了C/Si 复合介孔材料。此方法容易将碳源堵塞了介孔材料的微孔道结构，影响进一步的实际应用。Stiegman研究小组[Giunta P R，van de Burgt L J，Stiegman A E． Chem．Mater．2005，17，1234-1240] 利用在介孔硅材料的合成过程中通过溶液浸渍法引入高聚物例如丙烯腈单体，使其能够进一步进行炭化反应，产生纳米C/Si复合材料，该方法工艺过程简单，被广泛的应用，但是渗析过程中容易堵塞微孔，影响材料的性能。赵东元研究小组[Liu R， Shi Y， Wan Y， Meng Y，Zhang F，Gu D， Chen Z X， Tu B， Zhao D Y． J． Am．Chem．Soc．J．2006，128，11652-11662] 利用A阶酚醛树脂为高分子前驱体，通过有机-有机自组装过程，得到了高分子介孔材料。通过高温炭化可以直接转化为有序的C/Si复合介孔材料，但是这种方法容易使得骨架收缩严重。Hu课题组[Hu Q Y， Kou R，Pang J， Ward T L，Cai M，Yang Z Z， Lu Y F，Tang J．Chem．Commun．2007，6，601-603]通过气凝胶的方法在介孔材料中引入高聚物形成C/Si复合材料，但是并没有形成空心结构，难以在实际生产中应用。

发明内容

本发明采用F108(PEO₁₃₂PPO₅₀PEO₁₃₂) (EO 环氧乙烯；PO 环氧丙烯)等表面活性剂作为模板，在酸性溶液中，制备纳米C/Si复合空心球，该纳米材料具有很好的单分散性，其壁厚在5-15 nm，孔径在10-25 nm范围内，可调。

本发明的目的是提供一种纳米C/Si复合空心球材料及其制备方法。

本发明提出的尺寸超小，分散均匀，孔径、壁厚和墙壁组成可调的纳米C/Si复合空心球材料。

一种纳米C/Si复合空心球材料，其碳与硅的摩尔比为0.01-0.04:1，其壁厚在5-15 nm，孔径在10-25 nm范围内可调，孔径均匀。

本发明所述的一种纳米C/Si复合空心球材料的制备方法，按照下述步骤进行：

（1）将一定量的表面活性剂溶解在0.5-2 mol×L^-1的酸溶液中，同时加入扩孔剂三甲苯，持续搅拌6小时，待形成乳白色稳定均一体系后，在搅拌下加入硅源，体系的反应温度为25 °C，继续搅拌6小时后，加入阻聚剂二甲基二甲氧基硅烷，继续搅拌48小时后，倒入截留分子量为8000~14000的透析袋，放入蒸馏水中并每6小时更换一次蒸馏水，透析48小时，至溶液的pH值接近中性，透析后的放入100 °C烘箱中烘干；

（2）炭化：将步骤（1）烘干的样品加入炭化剂浓硫酸和水，在室温条件下搅拌均匀；

（3）干燥：将步骤（2）炭化后的样品放入100 °C烘箱中6h，随后放入160 °C烘箱中6h；

（4）将步骤（3）干燥后的样品，在管式炉中进行焙烧，以1°C /min的升温速率从室温升至700 °C ，随后在700 °C保温3 h，最后自然冷却至室温，既得纳米C/Si复合空心球的样品。

其中步骤（1）所述的酸溶液是酸浓度为0.5-2 mol×L^-1的盐酸，硝酸或者硫酸；墙壁组成是根据不同摩尔比的浓硫酸与水可以调变。