CN103041758B - 一种核壳结构的磁性空心多孔碳球及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于复合材料技术领域，具体为一种具有核壳结构的磁性空心多孔碳球及其制备方法。本发明采用微波水热法，制得的核壳式空心微孔磁性碳球的核为磁性四氧化三铁纳米簇，壳层为多孔碳。制备方法如下：首先以四氧化三铁纳米簇为种子，通过无皂乳液聚合将模板壳层包覆到四氧化三铁的表面，然后通过微波水热法将酚醛树脂原位聚合包覆到包有模板壳层的四氧化三铁复合微球表面，最后在一定温度下碳化即得到具有核壳结构的磁性空心多孔复合碳球，制得的复合碳球具有粒径均匀、碳层厚度可控、孔径分布窄的特点。本发明的制备方法操作简单、过程可控，该碳球及其制备方法具有良好的应用前景。

Description

一种核壳结构的磁性空心多孔碳球及其制备方法
技术领域
本发明属于复合材料技术领域，具体涉及一种核壳结构的磁性空心多孔碳球及其制备方法。
背景技术
多孔炭材料由于其高孔隙率、高比表面积、良好的导电性和化学稳定性在催化、吸附分离、离子交换及电化学储能领域有重要的应用价值而受到广泛关注 (Jinwoo Lee, Jaeyun Kim, Taeghwan Hyeon. Adv. Mater. 2006)。空心碳球具有优良的化学稳定性 及热稳定性, 并且质量轻, 抗压性能好, 因此被广泛的应用于电极材料、储能储氢材料、吸附材料、润滑剂及催化剂载体等领域 (Inagaki M，Synthetic Metals . 2002)。
目前多空碳的制备主要可分为化学活化工艺和模板法两种策略。化学活化工艺简单，可以广泛使用，但制得的材料孔径不均一且孔与孔之间不连续。而孔径均匀抑或多孔径分布的碳材料目前多都使用模板法制备 (Jang J , Lim B. Adv. Mater. , 2002)。选择不同的模板可合成结构不同的化合物，用模板法制备碳球，碳球的结构和大小都易于控制，故可大量制备结构和大小均匀的碳球。然而目前存在的问题是模板法步骤冗烦，基体与模板剂结合和模板剂的除去等步骤耗时长。其中模板剂的去除还学要大量的溶剂、酸或碱如氢氟酸、氢氧化钠等。因此，开发出一中简单快捷的方法制备多孔碳具有十分重要的意义。而本发明旨在提出一种核壳结构的磁性空心多孔碳球及制备该碳球的简单快捷方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种核壳结构的磁性空心多孔碳球及其制备方法。
本发明针对背景技术中所存在的问题，提出了一种新的方法即微波水热法，简便地制备了以四氧化三铁磁性纳米簇为核，多孔碳为壳的核壳式磁性碳球。具体步骤如下： 
1、首先以四氧化三铁磁性纳米簇和苯乙烯为原料，通过乳液聚合制得Fe3O4PS复合微球；
2、以Fe3O4PS复合微球为种子，在氨水的催化作用下，将酚醛树脂包覆到Fe3O4PS复合微球表面，制备得到以四氧化三铁纳米粒子为核，苯乙烯和酚醛树脂为壳层的Fe3O4PSPF核壳式磁性复合微球；
3、 Fe3O4PSPF核壳式磁性复合微球在一定温度下碳化，即得到具有核壳结构的磁性空心多孔碳球。
本发明上述步骤的具体操作如下：
步骤1．将10-200 mg Fe3O4纳米簇分散在去离子水中，然后加入1-20 mL苯乙烯和10-200mg过硫酸钾，在氮气中无皂乳液聚合2-6小时，得到Fe3O4PS复合微球。
步骤2．将步骤1中得到的Fe3O4PS复合微球分散在去离子水中，加入0.1-2 mL甲醛、20-500 mg苯酚和0.15 mL氨水并转移到微波管中，在微波辐射下反应。微波反应温度120℃-200℃，反应时间35-45 min（优选40 min），将微波管冷却至室温取出。用磁分离分离出产物，并用去离子水和无水乙醇洗涤反应物，用真空烘箱烘干。烘干温度可为45-55℃，时间3.5-4.5小时。优选烘干温度为50℃，时间4小时。
步骤3．将步骤2中得到的Fe3O4PSPF复合微球放在瓷舟中在氮气中630-660℃（优选650℃）下碳化，即得具有核壳结构的磁性空心多孔碳球。 
本发明中，所述的聚苯乙烯模板壳层是用无皂乳液聚合的方法包覆上的。
本发明中，所述的方法为微波水热法。
本发明中，所述的微波反应时间只需要40分钟。
本发明中，所述的碳化温度为630℃-660℃。
本发明制备的磁性复合微球核为磁性四氧化三铁纳米簇，壳层为多孔碳。
本发明中制备得到的磁性空心碳球具有结构规整、粒径分布均一、壳层厚度可控、孔径分布窄等特点。这种核壳结构的磁性空心多孔碳球具有比表面大，多孔且孔径分布窄的特点，可具有应用于超级电容器、蛋白质分离、水中有机污染物的去除等领域。
附图说明
图1为本发明核壳结构的磁性空心多孔碳球的透射电镜图。
图2为本发明的磁性空心多孔碳球性状图示，其中，(a)为BET，(b)为孔径分布。
具体实施方式
实施例1：四氧化三铁磁簇为250nm左右，酚醛树脂壳层层厚度约为60nm。
将10-200 mg Fe3O4纳米簇分散在去离子水中，然后加入1-20 mL苯乙烯和10-200mg过硫酸钾，在氮气中无皂乳液聚合2-6小时，得到Fe3O4PS复合微球。将得到的Fe3O4PS复合微球分散在去离子水中，加入0.1-2 mL甲醛、40 mg苯酚和0.15 mL氨水并转移到微波管中，在微波辐射下反应。微波反应温度120℃-200℃，反应时间40 min，将微波管冷却至室温取出。用磁分离分离出产物，并用去离子水和无水乙醇洗涤反应物，用真空烘箱50℃下4小时烘干。 将Fe3O4PSPF复合微球放在瓷舟中在氮气中650℃下碳化，即具有核壳结构的磁性空心多孔碳球。
实施例2：四氧化三铁磁簇为250nm左右，酚醛树脂壳层层厚度为90nm。
步骤同实施例1中所述，不同的是苯酚用量由40 mg变为60 mg。
实施例3：四氧化三铁磁簇为250nm左右，酚醛树脂壳层层厚度为120 nm。
步骤同实施例1中所述，不同的是苯酚用量由40 mg变为90 mg。
实施例4：四氧化三铁磁簇为250nm左右，酚醛树脂壳层层厚度为200 nm。
步骤同实施例1中所述，不同的是苯酚用量由40 mg变为150 mg。
本实施方法法操作简单、过程可控，模板剂的去除与碳化同时进行，不需要额外增加除模板剂的冗长过程，提高了制备的效率，制得的复合碳球具有粒径均匀、碳层厚度可控、孔径分布窄的特点。

Claims (2)

1.一种具有核壳结构的空心微孔磁性碳球的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）首先以Fe3O4纳米簇和苯乙烯为原料，通过乳液聚合制得Fe3O4PS复合微球；
（2）以Fe3O4PS复合微球为种子，在氨水的催化作用下，将酚醛树脂均匀聚包覆到Fe3O4PS复合微球表面，制备得到以四氧化三铁纳米粒子为核，苯乙烯和酚醛树脂为壳层的Fe3O4PSPF核壳式磁性复合微球；
（3）Fe3O4PSPF核壳式磁性复合微球在一定温度下碳化即得到具有核壳结构的磁性空心多孔碳球；
步骤（1）的操作如下：将10-200 mg Fe3O4纳米簇分散在去离子水中，然后加入1-20 mL苯乙烯和10-200mg过硫酸钾，在氮气中无皂乳液聚合2-6小时，得到Fe3O4PS复合微球；
步骤（2）的操作如下：将步骤（1）中得到的Fe3O4PS复合微球分散在去离子水中，加入0.1-2 mL甲醛、20-500 mg苯酚和0.15 mL氨水并转移到微波管中，在微波辐射下反应，微波反应温度120℃-200℃，反应时间35-45 min，将微波管冷却至室温取出；用磁分离分离出产物，并用去离子水和无水乙醇洗涤反应物，用真空烘箱烘干；
步骤（3）的操作如下：将步骤（2）中得到的Fe3O4PSPF复合微球放在瓷舟中在氮气中630-660℃温度下碳化，即具有核壳结构的磁性空心多孔碳球。
2.由权利要求1所述的制备方法获得具有核壳结构的空心微孔磁性碳球，其核为磁性四氧化三铁纳米簇，壳层为多孔碳。
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