[发明专利]一种氮掺杂纳米多孔中空碳球的制备方法

权利要求书

1.一种氮掺杂纳米多孔中空碳球的制备方法，其特征在于：首先以苯乙烯、丙烯腈为单体，通过细乳液聚合制得聚苯乙烯/聚丙烯腈核壳结构复合微球；再滴加硅烷偶联剂，继续聚合形成聚苯乙烯/聚丙烯腈/聚硅烷偶联剂双层核壳复合微球；随后经过预氧化、碳化和壳层二氧化硅的去除后制得氮掺杂纳米多孔中空碳球；具体包括如下步骤：

步骤1：碳球前驱体的制备

称取14.0g苯乙烯、0.2g聚苯乙烯、0.6-0.8g十六烷和0.2-0.3g油溶性引发剂混合形成油相；称取0.15-0.2g乳化剂和0.05-0.2g水相阻聚剂溶于90.0g水中形成水相；将油相和水相混合并磁力搅拌20-35min形成预乳液，然后在冰水浴下均质乳化2-10min，形成细乳液；将所得细乳液在氮气气氛中于40-75℃恒温反应1.0h，得到聚苯乙烯微球；向所得聚苯乙烯微球中滴加10g丙烯腈与0.1-0.2g交联剂的混合物，继续恒温反应0.5-1.0h，随后滴加4-5mL硅烷偶联剂到反应液中，继续恒温反应4-16h，制得聚苯乙烯/聚丙烯腈/聚硅烷偶联剂双层核壳复合微球，即为碳球前驱体；

步骤2：碳球前驱体的预氧化、碳化

将步骤1制备的碳球前驱体在空气氛围中加热至240-285℃预氧化0.5-2.5h；再以相同的升温速率在氩气气氛中加热至700-1000℃碳化0.5-3h，制得二氧化硅/多孔中空碳球杂化复合物；

步骤3：碳球壳层二氧化硅的刻蚀

将步骤2获得的二氧化硅/多孔中空碳球杂化复合物置于氢氟酸水溶液或氢氧化钠醇水溶液中刻蚀，除去壳层的二氧化硅即制得氮掺杂纳米多孔中空碳球；

步骤1制备的碳球前驱体的尺寸为50-300nm；步骤3制备的氮掺杂纳米多孔中空碳球的尺寸为50-200nm；

步骤1中，均质乳化形成细乳液的剪切速率为16000-19000rpm。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤1中，所述油溶性引发剂为偶氮二异庚腈、偶氮二异丁腈、过氧化苯甲酰中的一种；所述乳化剂为十二烷基硫酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基磺酸钠中的一种；所述水相阻聚剂为亚硝酸钠；所述交联剂为二乙烯基苯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、二乙二醇二甲基丙烯酸酯、三乙二醇二甲基丙烯酸酯中的一种；所述硅烷偶联剂为含双键的有机硅氧烷单体，为γ-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷，乙烯基三甲氧基(乙氧基)硅烷、丙烯基三甲氧基硅烷中的一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤2中，加热过程的升温速率为10-30℃/min。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤3中，置于氢氟酸水溶液中刻蚀时，将二氧化硅/多孔中空碳球杂化复合物置于氢氟酸水溶液中，在冰水浴的条件下磁力搅拌刻蚀8-24h，刻蚀完全后用碱中和，最后用去离子水洗涤并离心，获得氮掺杂纳米多孔中空碳球。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：

氢氟酸水溶液的浓度为10-20wt％。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：

步骤3中，置于氢氧化钠醇水溶液中刻蚀时，将二氧化硅/多孔中空碳球杂化复合物置于氢氧化钠醇水溶液中，加热至80-100℃刻蚀24-48h，刻蚀完全后用去离子水洗涤并离心，获得氮掺杂纳米多孔中空碳球。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：

氢氧化钠醇水溶液中氢氧化钠的浓度为0.5-1.0mol/L，溶剂中乙醇和水的体积比为1:1。