[发明专利]一种以多巴胺为碳源制备纳米空心碳球的方法

说明书

技术领域

本发明是涉及一种以多巴胺为碳源制备纳米空心碳球的方法，属于纳米材料制备技术领域。

背景技术

由于小尺寸效应，纳米材料具有很多独特的性能和特殊的应用，高比表面积使得其在高效催化剂、氢储存材料、低熔点材料等领域被寄予厚望。纳米材料形貌的变化也对材料本身的物理性能造成显著改变，如：纳米材料具有较低的光反射系数，能够高效地将太阳能转化为电能和热能，而且作为添加剂还具有增强韧性和强度的功能。纳米材料在电子学、磁学、声学等领域具有巨大应用空间和潜在价值，同时纳米材料还广泛应用于物理、化学、生物、材料和医药领域。同时纳米材料的量子尺寸效应与宏观量子隧道效应使得纳米材料应用于电气元件、传感器等领域。

随着纳米技术的发展，纳米空心球材料由于其具有密度低、比表面积大的独特性质，引起了广泛关注，成为纳米材料技术领域的一个研究热点。纳米空心碳球是纳米空心球材料中的一种，由于其具有较好的吸附性和渗透性，并且空心腔体可以用来容纳客体分子，产生微观“包裹”效应，因此纳米空心碳球作为一种新型的功能材料，在催化剂载体、超级电容、可控药物传输和缓释等领域具有广阔的应用前景。

目前通常采用二氧化硅作为前驱体，然后通过控制碳源在前驱体的表面进行修饰，形成一种实心的核壳结构，然后通过加热或化学反应的方法除去前驱体，通过高温焙烧使碳源发生碳化，从而制得空心碳球。

研究表明：多巴胺与二氧化硅有很好的生物相容性，环境友好无污染，多巴胺中含有的氮元素可使其所制得的碳源在超级电容器方面具有很好的应用前景。因此目前已有以多巴胺为碳源制备纳米空心碳球的报道，但目前的制备方法还存在如下缺陷：

首先，目前以多巴胺为碳源进行制备空心碳球时，是将前驱体SiO₂纳米球放入到配制好的多巴胺溶液中，通过多巴胺对前驱体SiO₂纳米球进行修饰，用到的前驱体SiO₂纳米球分为两种情况：

(1)采用市场上直接购买的SiO₂纳米球：这种方法省去了SiO₂纳米球的制备从而节约了空心碳球的制备时间，但是，用市场上购买的SiO₂纳米球，不能满足实验中对SiO₂纳米球的灵活要求，制备出的空心碳球比较单一，不能满足试验或市场多元化的需求；

(2)采用实验室现制的SiO₂纳米球：这种方法可以直接根据实验需求制备出不同的SiO₂纳米球，比较灵活；但是采用这种方法现制时，为了保证SiO₂纳米球的质量及多巴胺修饰的效果，SiO₂纳米球在反应溶液中生成后，都需要先将制备出的SiO₂纳米球分离出来，然后对其进行一系列的清洗、干燥等处理，最后将处理好的SiO₂纳米球再与多巴胺进行反应，使制备空心碳球需要经过两步才能完成，这种方法不可避免的浪费了大量的时间和试剂，造成了时间及能源的双重损失。

其次，目前制备空心碳球时，在刻蚀步骤中通常使用HF作为刻蚀剂对SiO₂纳米球进行刻蚀，由于HF是一种强腐蚀性的剧毒性物质，易挥发，对人体和环境危害大，因此不利于规模化制备。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种操作简单、适用范围广、可实现规模化的以多巴胺为碳源制备纳米空心碳球的方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种以多巴胺为碳源制备纳米空心碳球的方法，包括如下步骤：

a)首先采用法制备SiO₂纳米球，然后向反应体系中直接加入多巴胺，通过原位聚合使多巴胺包覆在SiO₂表面，制得复合纳米材料，简记为：SiO₂Pdop；

b)将制得的复合纳米材料：SiO₂Pdop，在氮气氛下进行焙烧处理：以8～12℃/分钟的升温速率升温至450～550℃，然后保温4～6小时，得到碳化的复合纳米材料，简记为：SiO₂Carbon；

c)将制得的碳化的复合纳米材料：SiO₂Carbon分散在氨水溶液中，在130～150℃进行保温刻蚀10～16小时，得到所述的纳米空心碳球，简记为：voidCarbon。

作为优选方案，所述步骤a)包括如下操作：