[发明专利]一种杂原子掺杂炭纳米微球及其制备方法

说明书

本发明公开一种杂原子掺杂的炭纳米微球及其制备方法；所述方法是在搅拌条件下，采用温和的反应温度(10～50℃)，以芳胺、醛为原料，在下述通式I所示化合物的存在下，在水溶液体系中，经过醛与通式I所示化合物生成席夫碱，芳胺再与生成的席夫碱加成得到聚合物纳米微球，离心、干燥后，在惰性气体气氛下焙烧后制得。本发明所述工艺方法的操作简单、条件温和、反应快速；利用此方法制备所得的纳米微球产物的大小及形貌可控、粒度均匀、产量大、且杂原子掺杂均匀。具有很好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米新材料技术领域，具体涉及一种杂原子掺杂炭纳米微球及其制备方法。

背景技术

杂原子掺杂炭纳米微球在能量转换与存储、二氧化碳吸附与分离、水中金属离子去除、气体存储与分离、催化等方面具有很大的应用潜力，近年来受到了广泛关注。在碳原子骨架上掺杂非金属杂原子，例如硫、氮、硼、磷或多杂原子，可有效提升其应用性能，如人们已经发现硫、氮双掺杂的石墨烯材料由于杂原子的协同作用，比未掺杂的石墨烯具有更好的氧还原性能；杂原子的存在可赋予炭材料良好的导电性、化学稳定性及催化性能。而目前对于非金属杂原子掺杂的研究主要集中在单一非金属杂原子掺杂，两种及三种以上杂原子掺杂涉及较少，即使涉及也是采用多步合成及后掺杂的方式进行，如采用元素硫、Na₂S或尿素在高温下处理含氮碳材料来获得氮、硫双掺杂炭材料，且由于其采用后掺杂的工艺方法，从微观粒子形貌来看，原子掺杂不均匀；或是采用水热条件进行掺杂聚合物纳米材料的合成，焙烧后得到杂原子掺杂炭纳米微球，操作复杂、耗时、耗能。

目前已有从三聚氰胺或三聚氰胺与间苯二酚混合物出发制备含氮纳米微球的方法，进一步焙烧可得到含氮纳米炭球；也有氨基酸参与合成杂原子掺杂碳纳米微球的方法。具体方法有水浴加热法和水热法。水浴加热法首先制备预聚物，即三聚氰胺与甲醛发生N-羟甲基化的产物，被称为预聚物，再将预聚物进一步在酸性条件下缩聚，制备三聚氰胺甲醛树脂微球。从三聚氰胺出发的水热法同样首先制备预聚物，然后在水热条件下将预聚物聚合得到三聚氰胺甲醛树脂微球；从淀粉出发的水热法需要含杂原子的氨基酸参与微球的形成。水热法需要较高的反应温度和较长的反应时间且产率低、难以实现大批量产业化应用。上述水浴加热法得到的含氮的碳纳米微球焙烧后仅是含氮的炭纳米微球，水热法可得到含氮、硫的碳纳米微球，焙烧后得到含氮、硫的炭纳米微球。反应温度高、时间长、操作复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺操作简单、条件温和、反应快速的杂原子掺杂的炭纳米微球的制备方法；该方法是在搅拌条件下，采用温和的反应温度(10～50℃)，以芳胺、醛为原料，在通式I所示化合物的存在下，在水溶液体系中，经过醛与通式I所示化合物生成席夫碱，芳胺再与生成的席夫碱加成得到聚合物纳米微球，离心、干燥后，在惰性气体气氛下进行焙烧后制得杂原子掺杂的炭纳米微球，其大小及形貌可控、粒度均匀、产量大、且杂原子掺杂均匀。

具体的，本发明所述的杂原子掺杂的炭纳米微球的制备方法，包括以下步骤：

(1)在10～50℃条件下，将芳胺、通式I所示化合物溶解于水中为澄清体系，其中通式I所示化合物为：

R¹选自H,NH₂；

R²选自H,COOH,SO₃H,B(OH)₂,OPO(OH)₂,Cl,OCH₃,CN,OH,SH,NO₂；

R³选自H,SO₃H；

(2)向上述体系中加入氨水溶液，搅拌均匀；

(3)在10～50℃条件下，向上述溶液中加入醛，搅拌反应，得到聚合物纳米微球；