CN104944405A - 一种碳球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种碳球的制备方法，包括：s1、用酸和碱配制PH值为3~10的溶液；s2、在步骤s1所获得的溶液中加入葡萄糖，配制浓度为1-10g/100ml的葡萄糖溶液；s3、将步骤s2所获得的葡萄糖溶液放入水热釜中在160~200℃温度下保温2~20小时，冷却至室温；s4、将步骤s3所获得产物洗涤、干燥，获得目标产品。本发明方法实现了小于100nm碳球大批量地制备与粒径调控，反应过程无有机溶剂与有毒化学试剂的参与，不仅能有效避免由杂质引入造成的结构缺陷和环境污染问题，同时由于该碳球无毒的特性，可广泛用于生物化学及生物诊断。整个制备过程操作简单，可控性强，重复性好，绿色环保，适合大规模生产。
Description
技术领域
本申请属于纳米微球制备领域，特别是涉及一种直径为50~100nm碳球的制备方法。
背景技术
碳球作为一种新型功能碳材料，具有密度低、化学和热稳定性高、导热导电性良好、本征阻尼性好、比表面积可控和生物相容性好等多种优异的特性，加上其规整的球形结构，使得碳球在气体储存、催化剂载体、药物输送、锂离子二次电池电极材料、轻质结构材料、超级电容器电极材料和燃烧电池等许多新技术领域有着巨大的潜在应用价值。
目前学者已经研究出多种制备碳球的方法，如溶剂（水）热法、化学气相沉积法、活泼金属还原法、等离子体法、聚合物催化热解法、超声波热解法等等。这些方法或多或少存在不足之处,比如CVD法、等离子体法、超声波热解法都需要复杂昂贵的专用设备；聚合物催化热解法得到的是微米尺度上近似椭圆形的硬碳材料，并且通常存在杂质；活泼金属还原法则需要保护性气氛；其中的水热法是指在密封的压力容器中，以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。其操作简单，使用条件温和，能够大量制备。且通过生物质水热法制得的碳球表面因含有大量活性含氧基团，能与多种分子、离子以及其他官能团结合形成新型功能碳材料。
以葡萄糖为碳源通过水热法脱水碳化制备碳球是最直接可控的方法。然而，大多数的有机溶剂制备碳材料的过程中需要加入各种催化剂，原料和产物都有毒性，不环保。另外，目前绝大多数通过水热法合成的碳球粒径至少是几百纳米甚至微米级,无法制备粒径在100 nm以下的碳球（Angew. Chem.-Int. Edit.,2004,597;J Mater Res.,2012,1117.,Adv. Mater.,2010,813）,这严重限制了小尺寸碳球（100 nm以下）在透明光学器件如染料敏化太阳能电池、电致变色器件中的广泛应用。
发明内容
本发明的目在于提供一种碳球的制备方法，以解决现有技术中设备昂贵、尺寸大、存在杂质等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请实施例公开一种碳球的制备方法，包括：
s1、用酸和碱配制PH值为3~10的溶液；
s2、在步骤s1所获得的溶液中加入葡萄糖，配制浓度为1-10g/100ml的葡萄糖溶液；
s3、将步骤s2所获得的葡萄糖溶液放入水热釜中在160~200℃温度下保温2~20小时，冷却至室温；
s4、将步骤s3所获得产物洗涤、干燥，获得目标产品。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述步骤s1中，所述酸为稀盐酸，所述碱为稀氨水。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述步骤s3中，所述葡萄糖溶液盛放于聚四氟乙烯内胆中，所述聚四氟乙烯内胆密封于所述水热釜中。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述葡萄糖溶液为所述聚四氟乙烯内胆容积的30-70%。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述步骤s4具体包括：将步骤s3所获得产物离心分离收集，然后分别用无水乙醇与去离子水反复冲洗，最后在烘箱中烘干，得到最终产物碳球。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述离心分离的速度为10000-15000r/min，离心时间为10-20分钟。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述的用无水乙醇与去离子水反复冲洗的手段为超声分散洗涤。
优选的，在上述的碳球的制备方法中，所述烘箱中烘干的温度为80~100℃，时间为4~20小时。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在较低温度和较短时间内实现了球体完整、单分散性好、可稳定储存、粒径在100 nm以下的碳纳米微球的制备。且纳米微球的直径可在50-100nm内进行调控。且反应温度较低、反应时间短，提高了生产效率，降低了生产成本。
低于100 nm的纳米粒子的一个重要特征是其尺寸己接近或小于电子的平均自由程和超导相干波长，他们较大的比表面使得处于表面态的原子和电子数目己与处于颗粒内部的原子、电子数目相当。由此所导致的表面效应和量子限域效应对纳米微粒的光学特性将会产生很大的影响,甚至使纳米微粒具有其块体材料所不具备的新的光学特性，如宽频带的吸收和蓝移现象等。
当用该尺寸的碳球作为模板时有望制备厚度为100 nm以下的复合薄膜，且该薄膜的纳米相粒子的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等使得它们的光学性能、电学性能、力学性能、催化性能、生物性能等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此，纳米复合薄膜在光电技术、生物技术、能源技术等各个领域都有广 泛的应用前景。当金属或半导体的颗粒尺寸减小到纳米范围时, 其电学性质会发生突变, 同时磁性、光学性质、光电性质一般也会有特殊的表现。其原因是电子能级发生了变化, 金属从准连续能级变为离散能级, 半导体的能带宽度也显著增大。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中所获碳球的透射电镜照片；
图2为本发明实施例2中所获碳球的透射电镜照片；
图3为本发明实施例3中所获碳球的透射电镜照片；
图4为本发明实施例4中所获碳球的透射电镜照片；
图5为本发明实施例5中所获碳球的透射电镜照片。
具体实施方式
本发明旨在提供一种新型的绿色环保直径小于100nm碳球的制备方法，藉以实现球体圆整、单分散性好、可稳定储存、粒径可控的碳球的水热法制备。同时对已有方法的条件进行优化，在保证成品质量的同时，尽量择优选取反应时间短、原材料用量少、反应温度低的实验条件，提高生产效率、降低生产成本，并克服了以往制备小尺寸碳球中易团聚等问题，利于规模化制备以及实际应用。
本发明通过下列实施例作进一步说明：根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
1）用稀盐酸调节双重去离子水的pH为3，将其作为溶剂，溶入葡萄糖，配制成浓度为8g/100ml的葡萄糖溶液；
2）取适量上述葡萄糖溶液放在25ml规格并带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将其置于180℃烘箱中反应4小时，自然冷却至室温，得到碳球溶液；
3）将上述溶液经过离心分离，并用去离子水与无水乙醇超声分散洗涤，直至离心后分散液澄清为止；
4）将上述离心后所得固体置于80℃真空烘箱中干燥8小时，即得到碳球。
图1所示为实施例1所获得的碳球的透射电镜照片，由图中可以看出，碳球的直径分布在50-70 nm之间。
实施例2
1）用稀盐酸调节双重去离子水的pH为6，将其作为溶剂，溶入葡萄糖，配制成浓度为8g/100ml的葡萄糖溶液；
2）取适量上述葡萄糖溶液放在25ml规格并带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将其置于180℃烘箱中反应4小时，自然冷却至室温，得到碳球溶液；
3）将上述溶液经过离心分离，并用去离子水与无水乙醇超声分散洗涤，直至离心后分散液澄清为止；
4）将上述离心后所得固体置于80℃真空烘箱中干燥8小时，即得到碳球。
图2所示为实施例2所获得的碳球的透射电镜照片，由图中可以看出，碳球的直径分布在60-80 nm之间。
实施例3
1）用稀盐酸调节双重去离子水的pH为9，将其作为溶剂，溶入葡萄糖，配制成浓度为8g/100ml的葡萄糖溶液；
2）取适量上述葡萄糖溶液放在25ml规格并带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将其置于180℃烘箱中反应4小时，自然冷却至室温，得到碳球溶液；
3）将上述溶液经过离心分离，并用去离子水与无水乙醇超声分散洗涤，直至离心后分散液澄清为止；
4）将上述离心后所得固体置于80℃真空烘箱中干燥8小时，即得到碳球。
图3所示为实施例3所获得的碳球的透射电镜照片，由图中可以看出，碳球的直径分布在65-90 nm之间。
实施例4
1）用稀盐酸和稀氨水调节双重去离子水的pH为7，将其作为溶剂，溶入葡萄糖，配制成浓度为4g/100ml的葡萄糖溶液；
2）取适量上述葡萄糖溶液放在25ml规格并带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将其置于180℃烘箱中反应4小时，自然冷却至室温，得到碳球溶液；
3）将上述溶液经过离心分离，并用去离子水与无水乙醇超声分散洗涤，直至离心后分散液澄清为止；
4）将上述离心后所得固体置于80℃真空烘箱中干燥8小时，即得到碳球。
图4所示为实施例4所获得的碳球的透射电镜照片，由图中可以看出，碳球的直径分布在70-90nm之间。
实施例5
1）用稀盐酸和稀氨水调节双重去离子水的pH为7，将其作为溶剂，溶入葡萄糖，配制成浓度为8g/100ml的葡萄糖溶液；
2）取适量上述葡萄糖溶液放在25ml规格并带有聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，并将其置于180℃烘箱中反应4小时，自然冷却至室温，得到碳球溶液；
3）将上述溶液经过离心分离，并用去离子水与无水乙醇超声分散洗涤，直至离心后分散液澄清为止；
4）将上述离心后所得固体置于80℃真空烘箱中干燥8小时，即得到碳球。
图5所示为实施例5所获得的碳球的透射电镜照片，由图中可以看出，碳球的直径分布在70-100nm之间。
本发明的方法实现了小于100 nm碳球大批量地制备与粒径调控，反应过程无有机溶剂与有毒化学试剂的参与，不仅能有效避免由杂质引入造成的结构缺陷和环境污染问题，同时由于该碳球无毒的特性，可广泛用于生物化学及生物诊断。整个制备过程操作简单，可控性强，重复性好，绿色环保，适合大规模生产。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (7)
1.一种碳球的制备方法，其特征在于，包括：
s1、用稀盐酸和稀氨水配制PH值为3~10的溶液；
s2、在步骤s1所获得的溶液中加入葡萄糖，配制浓度为1-10g/100ml的葡萄糖溶液；
s3、将步骤s2所获得的葡萄糖溶液放入水热釜中在160~200℃温度下保温2~20小时，冷却至室温；
s4、将步骤s3所获得产物洗涤、干燥，获得目标产品。
2.根据权利要求1所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中，所述葡萄糖溶液盛放于聚四氟乙烯内胆中，所述聚四氟乙烯内胆密封于所述水热釜中。
3.根据权利要求2所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述葡萄糖溶液为所述聚四氟乙烯内胆容积的30-70%。
4.根据权利要求1所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述步骤s4具体包括：将步骤s3所获得产物离心分离收集，然后分别用无水乙醇与去离子水反复冲洗，最后在烘箱中烘干，得到最终产物碳球。
5.根据权利要求4所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述离心分离的速度为10000-15000r/min，离心时间为10-20分钟。
6.根据权利要求4所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述的用无水乙醇与去离子水反复冲洗的手段为超声分散洗涤。
7.根据权利要求4所述的碳球的制备方法，其特征在于：所述烘箱中烘干的温度为80~100℃，时间为4~20小时。
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