张家杰 葡萄糖水热法制备纳米碳球

葡萄糖水热法制备纳米碳球

广州华南农业大学理学院化学08材化（1）班张家杰学号：200830750131

引言

碳微球材料由于具有高密度、高强度、高比表面积以及在锂离子电池方面的应用前景，已引起许多研究人员的兴趣。碳微球的形状和大小显著影响着其电学性能。

葡萄糖在水热条件下会发生许多化学反应，实验结果表明：碳微球的增长似乎符合LaMer模型（见图1），当0.5 molL-1的葡萄糖溶液在低于140 C或反应时间小于1h时不会形成碳球，在此条件下反应后溶液呈橙色或红色并且粘度增强，表明有芳香族化合物和低聚糖形成，这是反应的聚合步骤。当反应条件为0.5molL-1、160℃、3h时开始出现成核现象，这个碳化步骤可能是由于低聚糖之间分子间脱水而引起的交联反应，或者在先前步骤中有其它大分子的形成，然后形成的核在溶液中各向同性生长所致。从现有的研究结果表明，制备过程中的反应条件如葡萄糖的起始浓度、反应温度和反应时间直接影响炭球的粒径分布，其中反应时间对颗粒粒径影响很大，随着反应时间的延长，这些纳米炭球粒径从150nm（最初核的大小，实验所得到的最小的尺寸）生长到1500nm。

由葡萄糖水热法制备纳米炭球具有绿色环保无污染的特点，实验过程中没有引入任何引发剂以及有毒溶剂，得到的炭球粒径均匀，大小可控，同时表面含有大量活性官能团，具有优良的亲水性和表面反应活性，可应用于生物化学、生物诊断以及药物传输领域，也可以作为制备核壳结构材料或者多孔材料的模板等等，具有令人欣喜的应用前景。

图1 水热法形成炭球的结构变化示意图

本实验将利用葡萄糖水热法来制备纳米碳球，要求从中学会高温高压反应釜的组

装与应用，熟悉并理解水热法的基本原理、特性，熟练使用反应釜并关注反应釜使用的注意事项。

1.实验方法

1.1 仪器与试剂

葡萄糖，去离子水，95%乙醇；50mL高压反应釜，鼓风干燥箱，电子天平，抽滤装置。

1.2 微胶囊的制备

用电子天平称取6g葡萄糖放入50mL反应釜内衬中，用量取35mL去离子水（葡萄糖溶液的浓度为0.78molL-1）加入到上述反应釜中，用玻璃棒搅拌溶液，使葡萄糖全部溶解，然后装入反应釜中，用扳手拧紧反应釜，放入烘箱中。设定反应条件为：温度180 C，反应时间6 h。待反应结束后，降至室温，取出反应釜，将釜内黑褐色溶液抽滤（用220nm 有机滤膜），并及时清洗反应釜内衬，抽滤时用去离子水和95%乙醇清洗至滤液为无色。将样品用滤纸包好放入干燥箱中70℃干燥4h。收集样品，称重并计算产率。

1.3 材料表征

1.3.1 X-射线衍射分析

测定所制备碳球的晶型以判断该碳球所属的类型（如普通碳还是石墨型碳）。

1.3.2 红外光谱分析

测定碳球的活性官能团，表征不同制备条件下得到的碳球活性官能团变化。

2. 结果与讨论

2.1 实验数据

实验最终制得的碳纳米球质量为0.5192g

2.2 数据分析

2.2.1 XRD图谱分析

图2、图3给出的是碳纳米球和天然石墨的XRD谱图。实验选用的球形天然石墨在2θ

为26.52°、42.36°、44.56°、50.68°、54.63°和59.84°均有较强的衍射峰, 分别归属为二维六方石墨晶体( p63 /mm c) 的002、100、101、102、004和110衍射晶面( PDF 00 -056- 0159)。

图4为实验制得碳球的XRD图，对比图2和图3可知，制得碳球与天然石墨较接近，初步判断制得的碳球为石墨型碳球。同时，图4的三个峰都比较高，比较尖锐，表明制得的

碳球有较好的结晶性。

图2 天然石墨XRD图

图3 非晶形碳XRD图

图4 实验制得碳球的XRD图

2.2.2 红外光谱分析

图5为碳球的红外光谱图。从图5中可看出：3000cm-1至3750cm-1对应为羟基的吸收峰；同时羰基（C=O）振动吸收峰红移到1700 cm-1处且变宽化，表明有分子内氢键存在；1620cm-1对应共轭烯烃骨架振动；1500 cm-1和1300 cm-1峰的存在可能为苯环骨架振动。由上述官能团存在的可能性表明碳球保留了葡萄糖分子中的大量官能团，葡萄糖在水解过程中可能产生一定程度的芳香化，因为在水热的过程中糖分子之间发生了分子间脱水交联反应，再脱水、碳化形成碳碳单键和双键，使得产物部分碳化，达到制备碳微球目的。

图5 碳球的红外光谱图

2.3 影响炭球的粒径分布因素

制备过程中的反应条件：葡萄糖的起始浓度、反应温度和反应时间直接影响碳球的粒径分布，其中反应时间对颗粒粒径影响很大，随着反应时间的延长，这些纳米炭球粒径可以从150nm生长到1500nm。

因此反应时可以通过控制起始浓度、反应温度和反应时间从而控制碳球的大小。

2.4 水热法制备碳球的优缺点

优点：安全无毒、工艺流程简单、成本低、产物纯度高、分散性好、晶形好且可控制等优点。缺点是反应在密闭容器中进行，无法观察生长过程。

缺点：对设备要求高（耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬）、技术难度大（温压控制严格）；安全性能差。

2.5 制备碳球其他简易方法

化学气相沉积法、还原法、模板法、高温热解法、电弧放电法等常用制备法

2.6 碳球的应用前景

碳球有令人欣喜的应用前景：

锂离子电池负极材料；超级电容器材料；

作燃料电池催化剂载体，比一般Pt作为载体的活性要高；

用作模板制备空心球状材料；

电化学储氢材料；阻尼材料；生化及药物的运输载体；

生物化学、生物诊断以及药物传输领域；制备核壳结构材料或者多孔材料的模板。

3.结论

（1）由葡萄糖水热法制备纳米炭球具有绿色环保无污染的特点，实验过程中没有引入任何引发剂以及有毒溶剂，得到的炭球粒径均匀，大小可控。

（2）利用XRD图谱分析、红外光谱分析技术对所得的微球进行了表征和分析。通过研究得出结论：以葡萄糖为原料，水热条件下制备得到了粒径可控的纳微级碳球，在未添加表面活性剂条件下，通过控制反应物浓度、反应温度、反应时间可控制得到直径分布较广的球状碳材料，该材料表面存在大量活性官能团，具有优良的亲水性和表面反应活性。

参考文献

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[5] 张家杰. 作文BBS, .