本發(fā)明涉及一種具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的制備方法，屬于碳材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水熱碳化是指在密閉的高壓釜里，以水做溶劑，在低于300℃條件下，由于水的蒸發(fā)自生壓力，使生物質(zhì)材料在水熱條件下通過(guò)脫水和聚合的過(guò)程形成水熱碳材料。由于水熱法易操作、低成本、低毒性、產(chǎn)物有良好生物相容性等優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用廣泛。但水熱碳納米材料由于反應(yīng)條件溫和，通常產(chǎn)物多為無(wú)定形碳，表面含有豐富官能團(tuán)，碳材料石墨化程度低，所以一定程度上影響了在電學(xué)性能的應(yīng)用和推廣。

目前已報(bào)道的提高碳材料導(dǎo)電性的方法主要有異質(zhì)元素?fù)诫s，異質(zhì)元素可以改變材料的物理、電學(xué)和化學(xué)性質(zhì)。當(dāng)前驅(qū)體成分中含有異質(zhì)元素（n,s,p,b等）時(shí)，將獲得具有該元素?fù)诫s的碳材料，由于異質(zhì)元素電負(fù)性較強(qiáng)和能夠提供孤對(duì)電子，材料電子轉(zhuǎn)移阻抗降低。還有通過(guò)在反應(yīng)體系中加入濃硫酸，濃硫酸處理能夠?qū)⑺疅崽疾牧现袩o(wú)序碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成石墨碳結(jié)構(gòu)，濃硫酸將碳材料中o與h從官能團(tuán)c-oh，c-h，c=o中剝離，脫水碳化成石墨結(jié)構(gòu)。從而提高導(dǎo)電性能。另外一種提高導(dǎo)電性的方法是在氮?dú)夥罩懈邷靥幚?，降解表面官能團(tuán)和雜質(zhì)，不穩(wěn)定的官能團(tuán)能生成更穩(wěn)定、緊密的結(jié)構(gòu)，從而提高導(dǎo)電性，但高溫?zé)崽幚磉^(guò)程難控制，其中帶來(lái)新的結(jié)構(gòu)缺陷和含氧官能團(tuán)的脫落，而導(dǎo)致材料的親水性降低。因此，應(yīng)用也受到一定程度限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的碳材料的制備方法，該制備方法通過(guò)水熱法，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保無(wú)毒的特點(diǎn)。碳材料中摻雜有異質(zhì)元素，且可通過(guò)控制反應(yīng)條件控制碳材料中異質(zhì)元素含量。適用于制備導(dǎo)電油墨。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的碳材料以糖類化合物葡萄糖等，氨基酸l-半胱氨酸等和濃硫酸為反應(yīng)物，以水熱反應(yīng)釜為容器通過(guò)一步水熱法制成，具體制備步驟包括：

加入糖類化合物、氨基酸于反應(yīng)器中，逐滴加入濃硫酸，待烘箱升溫至180～220℃后，將反應(yīng)器置于烘箱3～5小時(shí)，取出反應(yīng)器經(jīng)中和、洗滌、干燥得到摻雜碳材料，所述糖類化合物、氨基酸、濃硫酸的質(zhì)量比為1：0.06：6～1：0.26：18。

所述的糖類化合物選自葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麥芽糖中的一種以上，氨基酸為天冬氨酸、l-甘氨酸、l-精氨酸中的一種以上；

本發(fā)明所述方法能提高碳材料的導(dǎo)電性，降低碳材料的電子轉(zhuǎn)移阻抗，與現(xiàn)有方法相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明的反應(yīng)機(jī)理是利用糖類化合物和氨基酸發(fā)生美拉德反應(yīng)，生成含有氮、硫元素的芳香化結(jié)構(gòu)碳材料，降低碳材料的電子轉(zhuǎn)移阻抗。

2)本發(fā)明通過(guò)加入不同濃硫酸含量，可以不同的程度提高無(wú)定形碳的石墨化程度，改變碳材料的電子轉(zhuǎn)移阻抗。

3)本發(fā)明通過(guò)控制糖類化合物和氨基酸的比例，可實(shí)現(xiàn)調(diào)控碳材料中摻雜元素含量。

4)本發(fā)明所述方法使用生物質(zhì)材料，不需添加有機(jī)溶劑，不需嚴(yán)苛反應(yīng)條件和復(fù)雜工藝設(shè)備，反應(yīng)過(guò)程簡(jiǎn)單、易操作。制備碳材料具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗和良好的生物相容性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明制備具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的流程圖。

圖2為本發(fā)明制備的低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的粉末樣品實(shí)物圖。

圖3為本發(fā)明制備的低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的透射電鏡圖。

圖4為本發(fā)明制備的低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的能奎斯特圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例和附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。

如圖1為本發(fā)明制備具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的流程圖，如圖所示，本發(fā)明具體包括如下步驟：

s101：將糖類化合物、氨基酸按照一定比例混合置于反應(yīng)器中，并以水為溶劑溶解，逐滴加入濃硫酸，并不斷攪拌；

s102：待烘箱升溫穩(wěn)定至180～220℃后，將反應(yīng)器置于烘箱加熱3～5小時(shí)；

s103：隨后取出反應(yīng)釜，冷卻至室溫，將水熱產(chǎn)物經(jīng)氫氧化鈉溶液中和，蒸餾水和無(wú)水乙醇洗滌，過(guò)濾取固體粉末隨后干燥得到摻雜碳材料。

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用原理作進(jìn)一步的描述。

實(shí)施例一

取1.5g葡萄糖，0.4gl-半胱氨酸，加入10ml蒸餾水。隨后逐滴加入10ml濃硫酸。l-半胱氨酸作為摻雜劑在反應(yīng)中提供n、s原子。隨后將混合物在聚四氟乙烯反應(yīng)釜中以180℃加熱5h。隨后冷卻至室溫，得到的棕黑色產(chǎn)物通過(guò)氫氧化鈉溶液中和水熱產(chǎn)物，調(diào)整ph至7.0。樣品進(jìn)一步用水和無(wú)水乙醇洗滌，以定性濾紙過(guò)濾，最后將樣品放置在70°c烘箱中隔夜干燥。得到粉末狀樣品見(jiàn)圖2，透射電鏡圖見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，制備的碳材料為10-30nm的碳顆粒相互黏連在一起。其元素分析見(jiàn)表1。

表1元素含量分析表

將制備的導(dǎo)電碳材料修飾于玻碳電極（gce）表面，并在表面覆蓋全氟磺酸隔膜（nafion），用于電化學(xué)阻抗譜測(cè)試，在0.1mkcl含有5mmk3[fe(cn)6]/k4[fe(cn)6](1:1)的溶液中進(jìn)行，頻率范圍為1.0×10^-1to1.0×10^-5hz，偏壓為5mv。如圖4所示，加入摻雜劑l-半胱氨酸的氮硫摻雜碳材料修飾的玻碳電極（gce/ns-c/nafion）的電子轉(zhuǎn)移阻抗最小為46ω，而與此對(duì)照不加入摻雜劑的碳材料（gce/uc/nafion）電子轉(zhuǎn)移阻抗為476ω。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有低電子轉(zhuǎn)移阻抗的導(dǎo)電碳材料的制備方法，所述方法制備導(dǎo)電碳材料以糖類化合物葡萄糖等作為碳源，氨基酸中含有氮、硫元素作為摻雜劑，濃硫酸可以控制碳材料的石墨化結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變反應(yīng)物的量可以調(diào)控電子轉(zhuǎn)移阻抗大小和親水性。本發(fā)明的導(dǎo)電碳材料修飾的玻碳電極的電子轉(zhuǎn)移阻抗達(dá)到46Ω?200Ω。本發(fā)明的導(dǎo)電碳材料通過(guò)水熱法合成，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、環(huán)保無(wú)毒的特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：劉仁材;胡博韜;陳靖容
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院大學(xué);胡博韜
技術(shù)研發(fā)日：2017.07.05
技術(shù)公布日：2017.10.24