[发明专利]一种水热法制备洋葱状纳米石墨球的方法

说明书

本发明公开了一种水热法制备洋葱状纳米石墨球的方法，所述方法包括如下步骤：(1)生物质碳量子点的制备；(2)纳米二氧化钛的制备；(3)二氧化钛催化碳量子点制备洋葱状纳米石墨球；(4)洋葱状纳米石墨球的分离和提纯。该制备方法具有绿色、便捷、原子产率高、易于纯化和批量化生产等特点，大大降低了石墨化温度，制备的洋葱状纳米石墨球稳定性很好，具有较好的电催化性能。

技术领域

本发明属于物理化学和材料化学研究中的材料制备领域，具体涉及一种水热法制备洋葱状纳米石墨球的方法。

背景技术

碳纳米洋葱作为一种碳同素异形体，其最初由日本的饭岛澄男于1980年在石墨电极电弧放电中发现，早于富勒烯发现的1985年，碳纳米管发现的1991年，以及石墨烯发现的2004。由于当时富勒烯分子结构未能确定，使得碳纳米洋葱的发现并未受到重视。直到富勒烯的发现，科研人员才注意到碳材料的最稳定形式可能并不是平面二维的，而是球形零维的。Ugarte D在1992年于电子束照射重新发现碳纳米洋葱[Ugarte D.Curling andclosure of graphitic networks under electron-beam irradiation[J].Nature,1992,359(6397):707.]，它才再次进入到研究人员的视线当中。

纳米洋葱碳作为一种高性能纳米碳材料，因其具有独特的耐候性和抗压性，优越的光学、电学和化学性能，可以作为航空润滑材料、高功率超级电容器材料、能量转换电极材料、生物传感器材料和电磁屏蔽材料，与其他同类纳米材料相比有很大的优越性，具有广阔的市场前景。

尽管在过去的39年里，研制了多种合成方法用于制备洋葱碳纳米球，如传统的以煤层气为原料，通过化学气相沉积法，对煤层气进行催化裂解，经过催化、裂解技术，转变成纯净的氢气和纳米碳材料，实现煤层气的清洁利用和纳米碳的批量制备。发明专利申请号CN201811105334(制备中空开口洋葱碳锂离子电池负极材料的方法)中，以煤质材料为原料，以镍盐或镍单质混合作为催化剂，氮气保护的条件下高温反应(1100～1700℃)，最后经过酸碱处理纯化后得到具有中空的洋葱石墨碳。

现有报道的方法要么在高能电子束的照射，或高温的化学气相沉积中，或在高温固相反应中制备，合成方法仍处于初级阶段，并受到产量、品质和纯度等问题的困扰，还未能实现大规模的批量化的生产。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提供了一种能批量化、易纯化、低温合成洋葱状石墨球的方法。

为实现上述目的，本发明提出如下技术方案：

一种水热法制备洋葱状纳米石墨球的方法，其包括如下步骤：

(1)采用水葫芦和壳聚糖，在水热的条件下制备生物质碳量子点溶液；

(2)采用均匀沉淀法制备偏钛酸TiO(OH)₂，经过煅烧后生成二氧化钛纳米颗粒；

(3)将所述二氧化钛纳米颗粒加入到碳量子点溶液中，在水热条件下二氧化钛催化碳量子点石墨化，反应生成洋葱状纳米石墨球溶液；水热温度为180～220℃(远低于现有报道合成石墨球的石墨化温度)，水热时间为20～36h；

(4)洋葱状纳米石墨球的分离和提纯。

作为一种优选的方案，在步骤(1)中，将水葫芦和壳聚糖材料水溶液在水热条件下反应，水热温度为180～220℃，水热时间为6～12h，pH为2～12。

作为一种优选的方案，在步骤(1)中，水葫芦与壳聚糖的质量比为1.5～3；改变水葫芦和壳聚糖的比例，调节合成碳量子点中的氮的含量，比例越低，氮含量越大。水葫芦粉为碳源，以壳聚糖为氮源。固体份的质量浓度为3～5％，所述固体份为水葫芦和壳聚糖混合物。

作为一种优选的方案，所述水葫芦在60℃下烘干研磨成粉。