專利名稱：一種單分散碳納米碗的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無機(jī)納米材料合成領(lǐng)域,具體涉及ー種碳納米碗顆粒的制備方法。
背景技術(shù)：
碳材料由于具有廣泛的應(yīng)用，一直以來都是熱點(diǎn)的研究領(lǐng)域。近來，像石墨烯、碳納米管、碳納米纖維、碳微球、碳空心微球等不同結(jié)構(gòu)或不同形貌的碳材料層出不窮，并以其大的比表面積，大孔客，良好的化學(xué)惰性和優(yōu)良的電子傳導(dǎo)等性能在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。因此，制備具有新型貌性特性的碳材料是當(dāng)今的研究方向。單分散納米碗狀顆粒作為具有特殊形貌的新型材料，由于其具有弱対稱性而具有ー些特殊的性能，特別是其堆棧的行為，可在多個(gè)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用。例如傳感器、機(jī)電設(shè)備、永久存儲(NANO LETTERS2010. 10. 1907)等。目前，制備單分散碗狀納 米顆粒少見報(bào)道，主要在于合成弱對稱性的小尺度材料難度比較大，即使成功合成的碗狀納米顆粒也主要是金屬或者金屬氧化物的碗狀微納米顆粒(J. Am. Chem. Soc. 2011, 133，8389-8391)或者是雙層中空結(jié)構(gòu)的碗狀形貌結(jié)構(gòu)顆粒。單層的碗狀微納米顆粒少見報(bào)道，特別是單層的碳納米碗顆粒。因此，采用能夠產(chǎn)業(yè)化的單分散碳納米碗顆粒制備技術(shù)，有利于單分散碗狀納米顆粒的深入研究及推廣應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種碳納米碗顆粒的制備方法。利用エ業(yè)化的具有中空結(jié)構(gòu)的聚苯こ烯微納顆粒作為模板，高效制備具有碗裝形貌的碳納米顆粒。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
步驟一、稱取間苯ニ酚和甲醛混合均勻，再加入去離子水混合均勻，作為碳源前驅(qū)溶液，備用；其中，所述間苯ニ酚與甲醛之摩爾比為1:2，間苯ニ酚-甲醛在碳前驅(qū)溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt% 60wt% ；
步驟ニ、合成碗狀形貌的單分散酚醛樹脂-聚苯こ烯復(fù)合顆粒，通過以下兩種方式實(shí)
現(xiàn)
(1)將步驟ー產(chǎn)物加入平均粒徑為400納米的具有中空結(jié)構(gòu)的聚苯こ烯微球，密封室溫放置使其發(fā)生反應(yīng)，形成酚醛樹脂-聚苯こ烯核殼結(jié)構(gòu)。然后用こ醇離心清洗，再用大于0. lmol/L的鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液浸泡處理一定時(shí)間，離心清洗得到碗狀的樹脂-聚苯こ烯復(fù)合顆粒；其中，聚苯こ烯微球與碳源前驅(qū)溶液體積比小于1:1 ;
(2)用大于0.lmol/L的鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液浸泡處理中空聚苯こ烯微球，離心清洗得到碗狀中空聚苯こ烯顆粒。將碗狀中空聚苯こ烯顆粒加入步驟ー的碳源前驅(qū)溶液，然后密封室溫放置使其發(fā)生反應(yīng)，離心清洗得到碗狀的樹脂-聚苯こ烯復(fù)合顆粒；其中，聚苯こ烯微球與碳源前驅(qū)溶液體積比小于1:1 ;
步驟三、步驟ニ制得的產(chǎn)物60°C干燥后在高溫爐中碳化，通氬氣保護(hù)，在100°C烘干I小時(shí)去除水汽，然后升溫至400°C-42(TC保溫3小時(shí)分解復(fù)合顆粒外層的聚苯こ烯，再升溫至800°C -1000°C碳化2-5小時(shí)后通入ニ氧化碳進(jìn)行活化0. 5h_2h。本發(fā)明特點(diǎn)如下
(1)提供一種制備新型單分散碳納米碗顆粒的方法
(2)本發(fā)明制備的碳納米碗顆粒為單層單分散微納米顆粒，粒徑均勻，表面光滑，形貌均一，有利于3維碗陣列的制備，可以在3維膠體晶體等前沿領(lǐng)域應(yīng)用。(3)本發(fā)明所用的設(shè)備簡單；所用的原料均為常用的化工原料，成本低；制備エ藝簡單；有利于規(guī)模化的エ業(yè)生產(chǎn)。


圖1為得到的單分散碳納米碗顆粒的透射電鏡照片。圖2為單分散碳納米碗顆粒的掃描電鏡照片。
具體實(shí)施方案實(shí)施例1 :
制備單分散碳納米碗顆粒。量取15ml中空聚合物微球，加入NaOH(lmol/L)攪拌混合均勻，室溫下放置12小吋，離心清洗2遍。稱取3. 88g間苯ニ酚，5. 2ml甲酸，混合攪拌I小時(shí)，加入15ml去離子和水15mlこ醇，混合攪拌2小時(shí)形成均勻的混合溶液，將其加入中空聚苯こ烯微球混合溶液中攪拌，室溫下放置48小吋。然后離心清洗3遍，得到碗狀核殼結(jié)構(gòu)的顆粒。60°C干燥，將粉體放入高溫氣氛爐中，以0.1L/分鐘的速度通入氬氣，以5K/分鐘的速度升溫至100°C，保溫2小吋。再以5K/分鐘的速度升溫至400°C保溫3小時(shí)，然后再5K/分鐘的速度升溫至800°C保溫2小吋，改通ニ氧化碳0. 5小吋。得到單分散碳納米碗顆粒。實(shí)施例2:
制備單分散碳納米碗顆粒。量取15ml中空聚合物微球，加入Na0H(1.5mol/L)攪拌混合均勻，室溫下放置12小吋，離心清洗2遍。稱取3. 88g間苯ニ酚，5. 2ml甲酸，混合攪拌I小時(shí)，加入15ml去離子和水15mlこ醇，混合攪拌2小時(shí)形成均勻的混合溶液，將其加入中空聚合物微球混合溶液中攪拌，室溫下放置48小吋。然后離心清洗3遍，得到碗狀核殼結(jié)構(gòu)的顆粒。60°C干燥，將粉體放入高溫氣氛爐中，以0.1L/分鐘的速度通入氬氣，以5K/分鐘的速度升溫至100°C，保溫2小吋。再以5K/分鐘的速度升溫至420°C保溫3小時(shí)，然后再5K/分鐘的速度升溫至1000°C保溫5小吋，改通ニ氧化碳2小吋。得到單分散碳納米碗顆粒。實(shí)施例3:
制備單分散碳納米碗顆粒。稱取3. 88g間苯ニ酹,5. 2ml甲醒,混合攪拌I小時(shí)，加入30ml去離子，混合攪拌2小時(shí)形成均勻的混合溶液，量取15ml中空聚合物微球，攪拌混合室溫下放置48小吋。離心清洗3遍，加入氫氧化鈉溶液(lmol/L)攪拌混合均勻，室溫下放置12小時(shí)，離心清洗2遍，得到碗狀核殼結(jié)構(gòu)的顆粒。60°C干燥，將粉體放入高溫氣氛爐中，以0.1L/分鐘的速度通入氬氣，以5K/分鐘的速度升溫至100°C，保溫2小吋。再以5K/分鐘的速度升溫至420°C保溫3小吋，然后再5K/分鐘的速度升溫至900°C保溫3小吋，改通ニ氧化碳I小時(shí)。得到單分散碳納米碗顆粒。實(shí)施例4:
制備單分散碳納米碗顆粒。稱取7. 76g間苯ニ酹,Ilml甲醒,混合攪拌I小時(shí),加入30ml去離子水，混合攪拌2小時(shí)形成均勻的混合溶液，量取15ml中空聚合物微球，攪拌混合室溫下放置48小吋。離心清洗3遍，加入氫氧化鈉(2mol/L)攪拌混合均勻，室溫下放置12小時(shí)，離心清洗2遍，得到核殼結(jié)構(gòu)的顆粒。60°C干燥，將粉體放入高溫氣氛爐中，以0.1L/分鐘的速度通入氬氣，以5K/分鐘的速度升溫至100°C，保溫2小吋。再以5K/分鐘的速度升溫至420°C保溫3小時(shí)，然后再5K/分鐘的速度升溫至900°C保溫3小吋，改通ニ氧化碳半小吋。得到單分散碳納米碗顆粒。實(shí)施例5
制備單分散碳納米碗顆粒。稱取3. 88g間苯ニ酹,5. 2ml甲醒,混合攪拌I小時(shí)，加入30ml去離子水，混合攪拌2小時(shí)形成均勻的混合溶液，量取15ml中空聚合物微球，攪拌混 合室溫下放置48小時(shí)。離心清洗3遍，加入lmol/L的鹽酸攪拌混合均勻，室溫下放置12小時(shí)，離心清洗2遍，得到碗狀核殼結(jié)構(gòu)的顆粒。60°C干燥，將粉體放入高溫氣氛爐中，以
0.2L/分鐘的速度通入氬氣，以5K/分鐘的速度升溫至100°C，保溫2小吋。再以3K/分鐘的速度升溫至420°C保溫3小吋，然后再5K/分鐘的速度升溫至900°C保溫3小吋，改通ニ氧化碳I小時(shí)。得到單分散碳納米碗顆粒。
權(quán)利要求
1.一種單分散碳納米碗的制備方法，其特征在于步驟一、稱取間苯二酚和甲醛混合均勻，再加入去離子水混合均勻，作為碳源前驅(qū)溶液，備用；其中，所述間苯二酚與甲醛之摩爾比為1:2，間苯二酚-甲醛在碳前驅(qū)溶液中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30wt% 60wt% ；步驟二、合成碗狀形貌的單分散酚醛樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒方式一、向碳源前驅(qū)溶液中加入聚苯乙烯微球，密封室溫放置使其發(fā)生反應(yīng)，形成酚醛樹脂-聚苯乙烯核殼結(jié)構(gòu)；然后用乙醇離心清洗，再用大于O. lmol/L的鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液浸泡處理，離心清洗得到碗狀的樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒；其中，聚苯乙烯微球與碳源前驅(qū)溶液體積比小于1:1;方式二、用大于O. lmol/L的鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液浸泡處理聚苯乙烯微球，離心清洗得到碗狀中空聚苯乙烯顆粒；將碗狀中空聚苯乙烯微球加入步驟一的碳源前驅(qū)溶液，然后密封室溫放置使其發(fā)生反應(yīng)，離心清洗得到碗狀的樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒；其中，聚苯乙烯微球與碳源前驅(qū)溶液體積比小于1:1 ;步驟三、步驟二制得的碗狀的樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒在60°C干燥后，在氬氣保護(hù)下， 在100°C烘干去除水汽，然后升溫至400°C _420°C保溫3小時(shí)分解復(fù)合顆粒外層的聚苯乙烯，再升溫至800°C -1000°C碳化2-5小時(shí)后通入二氧化碳進(jìn)行活化O. 5-2小時(shí)，最終得到單分散碳納米碗顆粒。
2.如權(quán)利要求1所述的單分散碳納米碗的制備方法，其特征在于所述的聚苯乙烯微球具有中空結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種單分散碳納米碗的制備方法，屬于無機(jī)納米材料合成領(lǐng)域。主要解決單分散碳納米碗顆粒制備產(chǎn)業(yè)化問題。本發(fā)明主要利用間苯二酚、甲醛加入去離子水混合均勻，作為碳源前驅(qū)溶液，向碳源前驅(qū)溶液中加入聚苯乙烯微球，密封室溫放置使其發(fā)生反應(yīng)，形成酚醛樹脂-聚苯乙烯核殼結(jié)構(gòu)；然后用乙醇離心清洗，再用大于0.1mol/L的鹽酸溶液或氫氧化鈉溶液浸泡處理，離心清洗得到碗狀的樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒，將碗狀的樹脂-聚苯乙烯復(fù)合顆粒在60℃干燥后，在氬氣保護(hù)下，在100℃烘干去除水汽，高溫碳化，最終得到單分散碳納米碗顆粒。本發(fā)明所需原料均為常用的化工原料，成本低；制備工藝簡單；有利于規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)。
文檔編號B82Y30/00GK103011132SQ201310006528
公開日2013年4月3日 申請日期2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月8日
發(fā)明者巨新, 黃妙逢, 姜曉萍, 孫靜 申請人:北京科技大學(xué)