葡萄糖水热法制备纳米碳球

葡萄糖水热法制备纳米碳球

1 目的要求

（1）熟悉葡萄糖水热法制备纳米碳球的方法，熟练掌握高温高压反应釜的组装与应用。

（2）熟悉并理解水热法的基本原理、特性，熟练使用反应釜，关注反应釜使用的注意事项。

2 实验原理

碳微球材料由于其具有高密度、高强度、高比表面积以及在锂离子电池方面的应用前景，已经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︒C、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，这些纳米碳球粒径从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碳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，制备得到的碳球粒径均匀，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 水热法形成碳球的结构变化示意图

3 实验预备

葡萄糖，去离子水，95%乙醇；5mL高压反应釜，鼓风干燥箱，电子天平，抽滤装置。

4 实验过程

4.1 材料制备

用电子天平称取6g葡萄糖放入50mL反应釜内衬中，用移液管准确移取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4~12 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。

4.2 材料表征

（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）；

（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；

（3）扫描电子显微镜或者透射电子显微镜分析所制备碳球的微观表面形态。

5 结果与分析

5.1 材料制备

m

=0.1163g

碳球

5.2 材料表征

5.2.1 红外光谱分析

图2 本实验所得碳球的红外光谱图

图2为本实验所测得的碳球红外光谱图。由于谱图杂峰很多，2700cm-1以后几乎都是一些很弱的吸收峰。此外，理论上该有的特征吸收峰在此图上也不明显，可以看出产品不是理想的产品，因此无法分析其官能团信息。

图3是陶志银[1]实验所得的碳球红外光谱图，是比较理想的碳球的红外光谱图，借用来分析理想产品的官能团信息：

3400cm-1左右对应于-OH的吸收峰，l030cm-1左右对应于C-OH的吸收峰，此二峰表明此碳球表面存在大量-OH。2950cm-1附近的小峰是由C-H伸缩振动造成。1707cm-1对应C=O的伸缩振动，醛基的存在应该在2900-2700cm-1，证明有双峰，但谱图上的双峰不明显，故不能确定醛基的存在。1600cm-1是由共扼烯烃骨架振动造成的。1000-1500cm-1之间的振动可能C-C或C-O-C骨架振动造成。

1500cm-1及1450cm-1峰的存在表明葡萄糖在水解过程中产生了芳香化。正由于碳球表面大量-OH和C=O这些亲水性官能团的存在，提高了其在水溶液中的分散性、稳定性，使其能应用于生物化学、催化剂载体、制备核壳结构杂化材料、中空或多孔材料等方面。

图3 理想碳球的红外光谱图

5.2.2 透射电子显微镜分析

A B

图4 碳球的透射电镜（TEM）照片

图4是实验所得碳球的透射电镜照片。可见此碳球为实心结构，单分散性良好，表面光滑，无杂质存在，粒径约为200nm，整体上粒径分布比较均匀。

6 实验讨论

（1）查阅文献资料，阐述水热法制备碳球的优缺点，思考还有哪些可操作性强的简易方法用于制备碳球。

答：优点：与传统活性炭改性方法相比，水热法具有操作简单，效率高，产物较纯，环境友好等一系列优点。

缺点：反应时间偏长。

其它可操作性强的方法：以碳化钙与二水草酸为原料，碳化钙与二水草酸的摩尔比是2:1~6:1，在密闭耐压反应器中加热至65~250℃，反应30~120min，反应完成后冷却至室温，得到碳纳米球及碳微球，碳纳米球及碳微球直径在几十至几百纳米。本方法所得产品碳纳米球及碳微球的纯度高，碳纳米球及碳微球的含碳量高，且碳纳米球及碳微球的尺寸较均匀。

（2）分析实验数据，探讨哪些因素会影响碳球的形成，应通过哪些方法控制碳球的大小。

答：反应体系中葡萄糖的用量[2]、反应温度和反应时间对碳球的形成影响明显。反应时间相同时，随着葡萄糖用量的增加，产物粒径增加；反应时间延长，产物的直径也随之增加；葡萄糖用量不变时，反应时间太短无产物生成，反应时间太长，碳球粒径会从150nm（最初核的大小，实验所得到的最小的尺寸）生长到1500nm，而且易发生团聚，最终生成沉淀，只有当反应时间在一定区间时才生成粒径均匀、分散性好的碳球；随葡萄糖用量的增加，相应的发生沉淀时间缩短。所以可以通过控制葡萄糖浓度、反应温度以及反应时间来控制碳球的大小。（3）评价你所制备碳球的应用前景，并提出改进实验的设想和建议。

答：纳米碳球的应用前景有[3]：

a)作为自烧结制备高密度各向同性碳-石墨材料；

b)作为模板制备空心球状材料；

c)作为高性能电池的电极材料；

d)作为高效液相色谱的填充剂；

e)作为催化剂载体。