專利名稱：中空碳納米材料的水熱合成方法
技術領域：
本發明涉及一種中空碳納米材料的水熱合成方法，屬于材料制備及電化學領域。
背景技術：
近年來，碳納米材料因其具有獨特的電學、光學、力學和生物學特征而引起了人們廣泛的關注，并被廣泛應用于催化、吸附、能源及生物醫學等領域。目前，各種不同形貌和結構的新型碳材料不斷被發現，如碳纖維、富勒烯、碳納米管、有序介孔碳和多孔碳等，從而為其進一步的應用研究提供了更廣闊的空間。目前，碳納米材料的制備方法主要有三種電弧放電法、氣相沉積法和水熱合成法。但電弧放電法操作繁瑣，對設備要求高，而大大提高了生產成本，氣相沉積法又不可避免地存在裂解溫度不易控制、產率低且副產物種類繁多等問題。而大量的研究結果表明，水熱法是合成碳納米材料的一種有效方法，不但可在較低的溫度下合成出形貌可控且重復性好的碳材料，且能夠簡化工藝流程、節約生產成本，從而為 碳納米材料的廣泛應用提供了堅實的基礎。在多孔碳材料中，空心結構的碳納米材料因其比表面積大、密度低，具有可裝載的空腔以及可修飾的內外表面等優點而廣受研究者的青睞。然而，目前空心碳納米材料的合成方法多采用硬模板法，該法不但操作繁瑣，且對模板的制備具有一定的要求，也間接增加了生產成本，因此大大限制了此類碳材料的發展和應用。鑒于此，本發明采用簡單靈活易操作的合成工藝路線，在水熱的條件下制備出粒徑可調、結構穩定且形貌獨特的中空碳納米材料。該材料在催化、能源以及生物醫學等領域具有潛在的應用價值。
發明內容
本發明的目的是提供一種中空碳納米材料的水熱合成方法。其特征在于具有以下的過程和步驟
a.用電子天平稱取O.15-0. 85 g葡萄糖或鹿糖(C6H12O6)及O. 04-0. 35 g十二燒基苯磺酸鈉(SDBS)或非離子型三嵌段共聚物 P123 ((EO) 20(PO) 70(EO) 20)、F127 ((EO) 106(PO)70 (EO) 1Q6)，加入到25-75 mL的H2O中超聲分散，使之形成均一透明的溶液；
b.將上述混合溶液倒入100mL的帶聚四氟乙烯內襯的高壓反應爸中，在160-180 °C條件下反應5-8 h ；
c.反應完成后，將產物從反應釜中取出，經常規的離心、洗滌、烘干等步驟，即制備得中空碳納米材料。以葡萄糖或蔗糖為碳源，十二烷基苯磺酸鈉為表面活性劑，水為溶劑，采用水熱方法，即得所發明中空碳納米材料。其中表面活性劑除了 SDBS，也可以是非離子型三嵌段共聚物P123、F127。所得產物都是中空碳納米材料，只是尺寸和形貌有所不同。本發明方法工藝過程中的有關機理敘述如下
本發明的工藝過程中，以水為溶劑，葡萄糖或蔗糖為碳源，在表面活性劑的結構導向作用下，通過簡單的水熱過程和合成條件的改變，可得到理想的中空碳納米材料。其中，以SDBS為例，在水熱過程中，SDBS可在氣(C02，CO, H2等)/液界面富集并形成一定的囊泡，同時，熱解后的葡萄糖包覆在SDBS囊泡的外層，形成了碳納米球，接著，組成囊泡的油相溢出。此時，由于外層碳殼的厚度較薄，從而導致殼層內陷而形成中空帽子狀結構。在此過程中形成的囊泡，真正起到了模板的導向作用。反應后用乙醇或丙酮反復洗滌樣品是為了把殘留的表面活性劑及有機物等清洗干凈。本發明所得的中空碳納米材料具有獨特的帽子狀結構(或癟氣球狀)，且形貌均一、粒徑可調等。本發明具有工藝簡單、合成條件溫和及成本低廉等優點。
圖I為本發明實施例I中所得中空碳納米材料的透射電子顯微鏡(TEM)照片。圖2為本發明實施例2中所得中空碳納米材料的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖3為本發明實施例I和實施例2中所得中空碳納米材料的X射線衍射(XRD)譜圖。
具體實施例方式所有實施例均按上述技術方案的操作步驟進行操作，現將本發明的具體實施例敘述于后。實施例I
本實施例中，中空碳納米材料的制備步驟具體如下
(1)用電子天平稱取O.2 g葡萄糖及O. 14 g SDBS，加入30 mL H2O中超聲分散，使之形成均一透明的溶液；
(2)將上述混合溶液倒入100mL的帶聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在180°C條件下反應6 h ；
(3)反應完成后，將產物從反應釜中取出，經常規的離心、洗滌、烘干等步驟，即制備得 中空碳納米材料。將所制得的樣品進行物性表征，其部分結果如附圖I所示。所得材料具有獨特的中空帽子狀結構，且形貌均一，其粒徑在200 nm左右。實施例2
實施過程除以下不同外，其他均與實施例I相同。(I)用電子天平稱取O. 15 g葡萄糖及O. 04 g非離子型三嵌段共聚物(P123)，加入25 HiLH2O中超聲分散，使之形成均一透明的溶液；
(2)將上述混合溶液倒入100 mL的帶聚四氟乙烯內襯的高壓反應釜中，在170°C條件下反應8 ho實驗結果與實施例I完全不同，所得中空碳納米材料其粒徑約為Ιμπι，且形貌為癟氣球狀。實施例3
實施過程除以下不同外，其他均與實施例I相同。(I)用電子天平稱取O. 85 g蔗糖及O. 35 g SDBS，加入75 HiLH2O中超聲分散，使之形成均一透明的溶液；
所得結果與實施例I完全不同，不同在于本實施例所得中空碳納米材料為完整的空心球結構，其粒徑在200-300 nm左右。實施例4
實施過程除以下不同外，其他均與實施例I相同。(I)用電子天平稱取O. 4 g葡萄糖及O. 08 g非離子型三嵌段共聚物(F127)，加入60 mLH20中超聲分散,使之形 成均一透明的溶液；
所得結果與實施例I基本相似，不同在于其粒徑約為I μπι左右。參見附圖，圖I為本發明實施例I中所得中空碳納米材料的透射電子顯微鏡(TEM)照片圖。TEM分析采用日本JEOL公司JEM-200CX型透射電子顯微鏡觀察材料形貌。從TEM中可知，采用該法合成出的中空碳納米材料，形貌獨特，為帽子狀結構，其粒徑在200 nm左右，且單分散性非常好。參見附圖，圖2為本發明實施例2中所得中空碳納米材料的掃描電子顯微鏡(SEM)照片圖。SEM分析采用日本Hitachi S-4800型掃描電子顯微鏡觀察材料表面形貌。從SEM圖片中可觀察到，所得碳納米材料，形貌均一，類似于癟氣球狀的結構，并且能清晰的看出各個方向褶皺的存在。參見附圖，圖3為本發明實施例I和實施例2中所得碳納米材料的X射線衍射(XRD)譜圖。XRD分析在日本RigaKu D/max-2550型X射線衍射儀上進行，CuK α衍射。從圖3可知，所得產物在2 Θ = 26°左右處有明顯寬的衍射峰，是碳納米材料(002)晶面的典型特征。
權利要求
1.一種中空碳納米材料的水熱合成方法，其特征在于具有以下的過程和步驟 a.用電子天平稱取O.15-0. 85 g葡萄糖或鹿糖(C6H12O6)及O. 04-0. 35 g十二燒基苯磺酸鈉(SDBS)或非離子型三嵌段共聚物 P123 ((EO) 20(PO) 70(EO) 20)、F127 ((EO) 106(PO).70 (EO) 1Q6)，加入到25-75 mL的H2O中超聲分散，使之形成均一透明的溶液； b.將上述混合溶液倒入100mL的帶聚四氟乙烯內襯的高壓反應爸中，在160-180°C條件下反應5-8 h ； c.反應完成后，將產物從反應釜中取出，經常規的離心、洗滌、烘干等步驟，即制備得中空碳納米材料。
全文摘要
本發明涉及一種中空碳納米材料的水熱合成方法，屬于材料制備及電化學領域。本發明方法以葡萄糖為碳源，十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)為表面活性劑，水為溶劑，采用簡單的水熱合成方法，即得具有獨特結構的中空碳納米材料，如帽子狀，癟氣球狀等。其中，表面活性劑SDBS也可為非離子型三嵌段共聚物P123((EO)20(PO)70(EO)20)、F127((EO)106(PO)70(EO)106)，均可得到形貌均一的碳納米材料。本發明工藝簡單，低能環保，重復性好。所得產物中空碳納米材料的粒徑在200nm或1μm左右，且單分散性好。本發明中空碳納米材料具有潛在的優異的電化學性能。鑒于此，本發明中所提供的中空碳納米材料，在催化、能源以及生物醫學等領域具有潛在的應用前景。
文檔編號B82Y40/00GK102951638SQ20121049989
公開日2013年3月6日 申請日期2012年11月30日 優先權日2012年11月30日
發明者張海嬌, 焦正, 李霞, 徐曙光, 徐慧娟, 魏鳳君 申請人:上海大學