葡萄糖水热法制备纳米碳球

葡萄糖水热法制备碳纳米球广州华南农业大学理学院二班荀琳介绍碳微球材料因其高密度、高强度、高比表面积以及在锂离子电池中的应用前景而吸引了众多研究者的兴趣。碳微球的形状和尺寸显著影响它们的电学性质。葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应。实验结果表明，碳微球的生长似乎符合LaMer模型(见图1)。当0.5摩尔-1的葡萄糖溶液小于140或反应时间小于1小时时，不会形成碳微球。在这种条件下，反应后的溶液呈橙色或红色，粘度增加，表明形成了芳香族化合物和低聚糖。这是反应的聚合步骤。当反应条件为0.5 mol-1，160，3h时开始成核。该碳化步骤可以由寡糖之间的分子间脱水引起的交联反应引起，或者在前一步骤中形成其他大分子，然后所形成的核在溶液中各向同性地生长。现有研究结果表明，制备过程中的反应条件，如葡萄糖的初始浓度、反应温度和反应时间，直接影响碳球的粒径分布，其中反应时间对粒径影响很大。随着反应时间的延长，这些纳米碳球的粒径从150纳米(初始核的尺寸，通过实验获得的最小尺寸)增长到1500纳米。葡萄糖水热法制备的纳米碳球具有环保无污染的特点。实验过程中不引入引发剂或有毒溶剂。制备的碳球粒径均匀，尺寸可控。同时，表面含有大量的活性官能团，具有优异的亲水性和表面反应活性。碳球可应用于生物化学、生物诊断和药物输送领域，也可作为制备核壳结构材料或多孔材料等的模板。它们具有良好的应用前景。图1水热法形成的碳球结构变化示意图1个实验部分1.1实验仪器和试剂葡萄糖、去离子水、95%乙醇、50毫升高压反应器、鼓风干燥箱、电子天平、抽滤装置(有机滤膜)、滤纸、玻璃棒1.2碳纳米球的制备关于纳米碳球的制备，参见文件1。用电子天平称取6克葡萄糖，放入50毫升反应釜的内衬中(图2)，用移液管准确移去35毫升去离子水(葡萄糖溶液浓度为0.952摩尔-1)，加入反应釜中，用玻璃棒搅拌溶液，使葡萄糖完全溶解，然后放入反应釜中，用扳手拧紧反应釜，放入烘箱中。反应条件设定如下：温度180，反应时间4 12小时。反应结束后，冷却至室温，取出反应釜，过滤釜内深棕色溶液(用40 um有机滤膜)，并及时清洗反应釜内衬。过滤过程中，使用去离子水和95%乙醇清洗滤液，直至其无色。用滤纸包裹样品，放入干燥箱中，在70下干燥4小时。收集样品，称重并计算产量。图2反应器的物理和结构示意图1.3纳米碳球的表征1.3.1 x射线衍射分析确定所制备的碳球的晶型以判断碳球的类型(例如普通碳或石墨碳)1.3.2红外光谱分析测定了碳球的反应官能团，表征了不同制备条件下得到的碳球反应官能团的变化。结果和讨论2.1实验数据根据以下化学方程式，通过实验最终制备的纳米碳球的质量为0.1255 gC6H12O6 6C 6H2O可用产量2.2纳米碳球的结构表征2.2.1碳纳米球的XRD表征图3和图4显示了天然石墨和无定形碳的标准XRD图案，图5和图6显示了通过在diff上的测试实验制备的纳米碳球的XRD图案图5是通过在玻璃样品板上检测获得的XRD光谱。从图中可以看出，在21附近有一个很大的“馒头峰”,可以断定纳米碳球是无定形结构的物质。图6是通过在铝样品板上检测获得的XRD光谱；可以看出，除了一个大的“馒头峰”，还有两个高而尖的峰，即具有晶体结构的物质：Al2O3晶体，它是-Al2O3，属于三角体系，如参考文献2所示。图3天然石墨图4无定形碳图5玻璃样品板图6铝样品板红外光谱分析图7是碳球的红外光谱。从图7可以看出，3400cm-1附近的吸收峰对应于羟基。同时，羰基(C=O)振动吸收峰红移至1700 cm-1。1620cm-1对应于共轭烯烃骨架振动；1500厘米-1至1300厘米-1峰值的存在可能是由于苯环骨架振动。上述官能团存在的可能性表明碳球在葡萄糖分子中保留了大量的官能团，在水解过程中葡萄糖可能会被一定程度的芳香化，因为在水热反应过程中，糖分子之间发生分子间脱水交联反应，然后脱水碳化形成碳-碳单键和双键，使产物部分碳化，达到制备碳微球的目的，这更符合制备机理。综上所述，碳球的宫能基团主要由-OH和C=O组成，在水热过程中会发生脱水缩合和芳香环化反应。图7纳米碳球的红外光谱2.3水热制备碳球的优缺点优点：工艺流程简单，可连续生产，原料廉价，安全无毒；该产品粒径小，分布均匀，颗粒团聚轻，晶型好且可控，无需高温烧结，消除了研磨及研磨产生的杂质，避免了缺陷。缺点：反应在密闭容器中进行，无法观察生长过程，设备要求高(耐高温高压钢，耐腐蚀内衬)，技术难度高(温度和压力控制严格)；安全性能差。2.4影响碳球形成的因素葡萄糖的初始浓度、反应温度、反应时间和清洗过程都直接影响碳球的粒径分布。反应时间对颗粒大小有很大影响。随着反应时间的延长，纳米碳球的团聚越来越严重。因此，碳球的尺寸可以通过控制反应过程中的初始浓度、反应温度和反应时间来控制。2.5制备碳球的其他简单方法化学气相沉积法、化学气相冷凝法、还原法、模板法、高温热解法、电弧放电法等。2.6碳球的应用前景2.6.1中空球形材料模板的制备碳微球易于煅烧去除，是一种较好的模板剂。特别是，表面带有羟基和羧基等活性官能团的胶体碳微球对金属离子具有选择性吸附功能，广泛用于制备金属氧化物。2.6.2锂离子电池阴极材料碳微球是电极的首选材料，因为它们具有层状结构和球形。锡锑作为锂电池的电极材料越来越受到人们的关注，但其应用范围受到循环过程中粉末化和团聚的限制。2.6.3吸附剂水热法制备的碳微球表面大量的含氧官能团可以与金属离子结合，达到去除金属离子的目的。作为燃料电池的催化剂载体，碳微球的活性高于铂载体。2.6.4催化剂孙等3在不同条件下制备了直径为200纳米至1500纳米、粒径分布均匀、具有活性官能团的碳微球。碳微球作为催化剂载体时，贵金属不仅可以均匀负载在碳微球表面，而且可以包裹在碳微球内部，有效防止贵金属的团聚。另一种装饰赵等5将合成的二氧化锡/碳双层球在气氛中于700煅烧，得到锡包覆的中空碳微球。如图8所示，三硝基甲烷碳壳具有均匀的厚度，许多纳米尺寸的锡颗粒包裹在其中。碳微球具有薄而有弹性的外壳，微球内部的致密空间能有效抑制电极中锂锡合金的粉化。TNHCs电极材料在10次循环后的电容为800毫安时-1，在100次循环后的电容为550毫安时-1，并且具有优异的电化学性能7。图8 (a)二氧化锡空心球的透射电子显微照片；(b)镀锡空心碳球的透射电子显微照片(5)2.6.7碳微球基碳/碳复合材料使用商业活性炭和葡萄糖作为原料，制备具有多个含氧官能团的碳微球-活性炭复合物，如图8所示。从图9可以看出，大量纳米碳微球形成在活性炭的表面和孔上。葡萄糖水热处理后活性炭表面形成碳微球，有效降低了活性炭的孔隙率。碳微球的数量和大小可以通过调节葡萄糖浓度来调节，并且这些碳微球的表面具有大量活性官能团(主要是单羟基)。这些活性官能团的存在有效地改善了复合材料对重金属的吸附性能。图9碳球/活性炭混合物的扫描电子显微照片62.6.8其他应用前景电化学储氢材料；阻尼材料；生物化学和药物运输车辆；生物化学、生物诊断和药物输送领域；制备核壳结构材料或多孔材料的模板。结论以葡萄糖为原料，在反应釜中通过水热法制备纳米碳球，这种高密度、高强度、高比表面积的纳米碳球的性能在锂离子电池等方面具有广阔的应用前景；碳微球的形状和大小也显著影响它们的化学性质。因此，严格控制反应条件，特别是控制反应时间和温度，对纳米碳球的粒径有很大影响。利用二次水热能获得理想产品。二次水热处理是分离核过程和生长过程的极端手段。基本思想是：首先制备单分散或单分散状的“晶核”，然后在适当的条件下，使单体围绕“晶核”；然后，在适当的条件下，单体围绕“晶核”均匀生长，最终形成单分散碳微球7。参考：、王戎、孟建新、彭、葡萄糖辅助水热合成球形二氧化钛。电子元器件与材料，2010，29(5): 35-372李波，邵玲玲。氧化铝和氢氧化铝的XRD鉴定J，无机盐工业，2008，40(2): 54-573孙X，李彦德，Ga2O3和Gan半导体空心球.安吉尔。Chem.Int。教育署，2004，43: 597-6014张伟民，胡建生，郭永国，等.锂离子电池高性能负极材料用纳米颗粒包覆的弹性空心碳球. J .adv.mate，2