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09材化（2）班林勋，2

引言

炭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：炭微球的增长似乎符合LaMer 模型（见图1），当0.5 mol·L-1 的葡萄糖溶液在低于140 C 或反应时间小于1h 时不会形成炭球，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0.5 mol·L-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1500 nm。

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，制备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

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

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（有机滤膜），滤纸，玻璃棒

1.2 纳米碳球的制备

纳米碳球的制备参见文献[1]。用电子天平称取 6g 葡萄糖放入50mL 反应釜内衬（图2）中，用移液管准确移取35mL 去离子水（葡萄糖溶液的浓度为0.952 mol·L -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40 um 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。

图2 反应釜实物与结构示意图

1.3 纳米碳球的表征

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

实验最终制备得到的纳米碳球的质量为 0.1255 g ，根据下列化学方程式

C 6H 12O 6 6C+6H 2O

可得产率23%.5100%4

.21255.0100%理论产率实际产率ω=⨯=⨯=

2.2 纳米碳球的结构表征

2.2.1 纳米碳球的XRD表征分析

图3、图4给出的是天然石墨和非晶型碳的标准XRD谱图，图5、图6给出的是在不同样品板上检测实验制备的纳米碳球的XRD谱图。对比可得，实验制备所得的纳米碳球与非晶型碳更加接近，故而初步判断实验所得的纳米碳球是非晶型碳。

图5为在玻璃样品板上检测所得的XRD谱图，从图中可以看出在21°附近有一个大的“馒头峰”，可以断定纳米碳球是非晶态型结构物质；图6为在铝质样品板上检测所得的XRD谱图；可以看出除了有个大的“馒头峰”外，还有两个高而尖锐的峰，即存在晶型结构的物质：Al2O3 晶体，参见文献[2]可知，该晶体为α-Al2O3，属于三方晶系。

图3 天然石墨

图4 非晶型碳

图5 玻璃样品板图6 铝质样品板

2.2.2 红外光谱分析

图7为碳球的红外光谱图。从图7中可看出：3400cm-1 附近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；1620cm-1对应共轭烯烃骨架振动；1500 cm-1到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，因为在水热反应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，这与制备机理较为符合。综上，碳球的宫能团以―OH、C=O 为主，水热过程中发生了脱水缩合和芳环化过程。

图7 纳米碳球的红外谱图

2.3 水热法制备碳球的优缺点

优点：工艺流程简单、可连续生产、原料便宜、安全无毒；产物粒径小、分布均匀、颗粒团聚轻、晶形好且可控、不需高温烧结，省去了研磨以及由此带来的杂质，避免缺陷。

缺点：反应在密闭容器中进行，无法观察生长过程、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。

2.4 影响碳球形成的因素

葡萄糖的起始浓度、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，其中反应时间对颗粒粒径影响很大，随着反应时间的延长，纳米碳球团聚更加严重。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。

2.5 制备碳球其他简易方法

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 用作模板制备空心球状材料

碳微球易于被锻烧除去，是一种较好的模板剂。尤其是表面含羟基，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，而被广泛的用做制备金属氧化物。

2.6.2 锂离子电池负极材料

碳微球具有平行排列的层状结构和球形特点，是电极的首选原料。Sn一Sb做锂电池的电极材料引起了较多的关注，但其粉化以及循环过程中的团聚问题限制了它的应用范围。

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能与金属离子相互键合进而达到去除金属离子的目的，作燃料电池催化剂载体，比一般Pt 作为载体的活性要高；

2.6.4 催化剂

Sun等[3]在不同条件制得了直径为200nm一1500nm，粒径分布均匀且含有活性官能团的碳微球。该碳微球在做催化剂载体时，不仅能将贵金属均匀的负载在碳微球的表面，还可以将它们包裹在碳微球的内部，有效的阻止贵金属的团聚。另一类具有特殊结构的核壳粒子是球形胶囊，该结构与其他球形材料相比具有较大的比表面积，较小的密度及特殊的力学、光电等物理性质及应用价值，成为材料研究领域引人注目的方向之一[4]。

2.6.5 超级电容器材料

Zhao等[5]将合成的SnO2/C双层球，在N2氛围内于700℃锻烧得到裹Sn空心碳微球(TNHCs)。TNHCs碳壳厚度均匀，内部包裹了很多纳米级的Sn粒子，如图8。碳微球壳层薄且有弹性，球内紧凑的空间能有效的抑制电极中Li一Sn合金的粉末化。TNHCs电极材料在循环使用10次后其电容>800mAh·g-1，循环100次后电容>550mAh·g-1，电化学性能优异[7]。