[发明专利]一种基于抗坏血酸的水热碳化反应制备碳微球的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳质微纳米材料的制备方法，具体涉及一种利用水热反应以生物质材料抗坏血酸为碳源的碳微球的制备方法。

背景技术

碳微球作为一种新型功能碳材料，具有许多优异的性能，比如大的比表面积、良好的化学稳定性和热稳定性、较高的导热导电性等。基于其独特的形貌和优异的性能，碳微球在催化剂载体、药物传输、色谱分离、吸附催化、电极材料以及增强型复合材料等众多领域极具开发潜力和应用前景。

关于碳微球的制备方法主要有模板法、化学气相沉积法、电弧放电法、高温热解法和水热法等。水热碳化法是在水热条件下，碳水化合物发生脱水和聚合反应而形成碳微球。相较其它制备方法而言，水热碳化法具有原料来源广、成本低、反应条件温和等优点。此外，碳微球表面含有丰富的含氧官能团，借此可以通过化学修饰实现碳微球表面性能的调控。同时，可通过改变反应条件，例如反应温度、反应时间、体系pH值和前驱体浓度等有效控制产物的形貌和大小分布。因此，水热碳化法是一种有效的碳微球的制备方法。目前，研究发现多种糖类分子可用作前驱体制备碳微球，包括葡萄糖、果糖、蔗糖、淀粉和纤维素。例如，2004年，Sun等在《Angewandte Chemie Int Ed》(2004,43,597)上发表了题为“Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles”的文章，作者以葡萄糖为碳源，采用水热碳化法在160～180℃条件下制备出粒径在150～1500nm的碳微球。2008年，Yuan等发表了题为“Preparation of monodisperse carbon nanospheres for electrochemical capacitors”的文章，该文作者以蔗糖为碳源，利用水热碳化法合成碳微球，并使用熔融的氢氧化钾溶液对产物进行活化处理，制得粒径为100～150nm的碳微球。然而，利用糖类化合物的水热碳化反应制备得到的碳微球往往存在着严重的团聚交联现象，不利于碳微球的后处理和应用。为了解决分散性差的问题，研究发现可在水热体系中加入酸，其中H⁺离子在糖分子的脱水和缩合过程中起到催化作用。例如，Yuan2011年，Jiang等在《Materials Science Forum》(2011,685,123-129)上发表了题为“Synthesis of Colloidal Carbon Spheres by Hydrothermal Carbonization of Glucose at Different Initial pH”的文章，该文作者通过控制反应体系pH值制备了不同尺寸的碳微球，成功解决了碳微球团聚交联的问题。然而，催化剂的添加不可避免地会引入杂质元素，其对碳微球的性能会产生显著影响。因此，寻求一种更简单易控、无杂质引入的分散性好的碳微球的制备方法具有重要意义。

发明内容

本发明所要解决的问题在于针对现有技术制备碳微球存在的上述不足，提供一种通过水热碳化法以抗坏血酸为原料、在不引入任何杂质元素的条件下制备单分散碳微球的方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：将质量-体积浓度1.0～200mg/mL的抗坏血酸水溶液加入水热反应釜中进行水热反应，水热反应温度为120℃～300℃，水热反应时间为1～20小时，得到碳微球。

上述抗坏血酸水溶液浓度优选10～100mg/mL。

上述的水热反应温度优选150℃～280℃，水热反应时间优选3～12h。

本发明制备方法还可进一步优选通过NaOH、KOH或盐酸调节抗坏血酸水溶液的初始pH值调节在2～7，以控制制备的碳微球的尺寸。

本发明以抗坏血酸作为反应物，利用抗坏血酸自身所带的羧基电离出的H⁺离子作为催化剂，在水热条件下通过抗坏血酸分子发生脱水和缩合反应，制备得到单分散且大小均一的碳微球，并能通过调节反应物的浓度或pH值制备不同尺寸的碳微球。与现有技术相比，本发明制备方法简单，无需加入任何催化剂，制备得到的微纳米级碳微球分散性良好、大小均一，且表面富含有机官能团。

附图说明

图1是实施例1制备的碳微球的SEM图。

图2是实施例2制备的碳微球的SEM图。

图3是实施例3制备的碳微球的SEM图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明的保护范围不仅限于这些实施例。

实施例1