水热合成单分散碳球的制备与表征

江学良，余 露，张 姣，孙 刚

(武汉工程大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉, 430074)

水热合成单分散碳球的制备与表征

江学良，余 露，张 姣，孙 刚

(武汉工程大学材料科学与工程学院, 湖北 武汉, 430074)

碳球；水热合成；葡萄糖；单分散；

碳微球因具有低密度、高比表面积、良好的表面渗透性及特殊形貌等特点，在气体储存、催化剂载体及化学模板等方面有着广泛的应用[1-5]。碳微球的常用制备方法有化学气相沉积[6]、超声喷雾热分解[7]、水热法[8]、声化学法[9]等。与其他合成法相比，水热合成法具有操作简单、反应条件温和、环境友好、球体形貌与尺寸可控等优点。Zhao等以纤维素为碳源、柠檬酸作催化剂水热法合成碳球，研究了柠檬酸浓度、反应时间及温度对碳球形貌和尺寸的影响[10]。Li等以葡萄糖为原料水热法合成碳球，研究了不同反应温度下的碳球化学性质，发现温度是影响葡萄糖水热碳化的重要因素[11]。Lee等在溶剂中加入Fe3O4作催化剂，加速了碳球的增长速率[12]。

本文以葡萄糖为原料，采用水热法合成单分散碳球，研究反应时间、温度、葡萄糖浓度、酸碱度和甲醛用量对碳微球形貌和分散性的影响，探讨了最佳制备工艺条件。

1 实验

1.1 试剂

主要试剂：葡萄糖、氢氧化钠、甲醛,以上试剂均为分析纯。

1.2 碳球制备

将2～3 g葡萄糖溶解于50～60 mL的去离子水中，加入2 g甲醛及少量柠檬酸或1 mol/L NaOH溶液，调节pH值，将混合液倒入100 mL高压反应釜中，于恒温箱中在160～200 ℃、2.5～8 h条件下进行反应，反应完成后用无水乙醇和去离子水分别离心洗涤3次，60 ℃下烘干8 h，得到棕黄色或棕褐色产物。

1.3 碳球表征

用JSM-5510LV型扫描电子显微镜观察碳球的形貌和尺寸。用Impact 420型傅里叶红外分析仪测试样品的红外光谱。用XD-5A型X射线衍射仪对产物进行物相分析。

2 结果与讨论

2.1 碳球形貌分析

2.1.1 水热时间对碳球形貌的影响

葡萄糖浓度为0.25 mol/L、反应温度为180 ℃、体系pH值为8时，不同水热反应时间下所制碳球的SEM照片如图1所示。从图1中可看出，反应时间为2.5 h时，尚未形成完整的碳球(图1(a))；反应时间为4 h时，碳球开始形成，但粒径不均一(图1(b))；反应时间为6 h时，所得碳球形状规整、粒径均一(图1(c))；反应时间为8 h时，所得碳球发生团聚，部分小球附着在大球表面(图1(d))。由图1可知，最佳水热反应时间为6 h。

2.1.2 水热温度对碳球形貌的影响

葡萄糖浓度为0.25 mol/L、反应时间为6 h、体系pH值为8时，不同水热反应温度下所制碳球的SEM照片如图2所示。由图2中可看出，随着反应温度的升高，碳球粒径增大，出现单分散碳球的最佳反应温度为160 ℃。

Fig.1 SEM images of carbon spheres prepared at different hydrothermal times

按照相同条件进行120 ℃和140 ℃的水热反应温度试验，结果皆无碳球形成，表明反应温度低于140 ℃难以形成单分散碳球。

Fig.2 SEM images of carbon spheres prepared at different hydrothermal temperatures

2.1.3 葡萄糖浓度对碳球形貌的影响

反应时间为6 h、反应温度为180 ℃、体系pH值为8时，不同浓度葡萄糖所制碳球的SEM照片如图3所示。由图3中可知，碳球直径随葡萄糖浓度降低而减小，粒径趋于均一，当葡萄糖浓度降低至一定范围时，碳球直径不再有明显变化。由此可见，最佳葡萄糖浓度为0.25 mol/L。

2.1.4 pH值对碳球形貌的影响

葡萄糖浓度为0.25 mol/L、反应时间为6 h、反应温度为180 ℃时，不同pH值下所制碳球的SEM照片如图4所示。由图4中可知，弱酸和弱碱范围均能制备出球形度完整的单分散碳球，且pH值为弱碱时碳球直径较为均一，其最佳pH值为8(图4(c))。这可能是由于在弱酸或弱碱条件下，甲醛中的羰基与碳球表面的羟基发生羟醛缩合反应，起到了表面活性剂和分散剂的作用，从而起修饰碳球表面形貌和控制碳球直径的作用。

Fig.3 SEM images of carbon spheres prepared at different concentrations of glucose

2.1.5 甲醛用量对碳球形貌的影响

葡萄糖浓度为0.25 mol/L、反应时间为6 h、

Fig.4 SEM images of carbon spheres prepared at different pH values

反应温度为180 ℃、体系pH值为8时，不同甲醛用量下所制碳球的SEM照片如图5所示。由图5中可看出，随着甲醛用量增大，碳球直径不断增大，碳球表面更趋光滑，粒径更均一。这可能是甲醛中的羰基与碳球表面的羟基和羰基发生反应，参与反应的羰基越多，碳球的粒径越大。由图5可知，最佳甲醛用量为2 g。

Fig.5 SEM images of carbon spheres prepared at different amounts of formaldehyde

2.1.6 最佳工艺条件下的碳球形貌

在反应时间为6 h、反应温度为160 ℃、葡萄糖浓度为0.25 mol/L、甲醛用量为2 g、体系pH值为8的最佳工艺条件下水热反应制备碳球，所制碳球的SEM照片如图6所示。从图6中可看出，所制碳球粒径均一，球面光滑，分散性较好，其碳球粒径约为350nm，分散系数为0.011，产率约为20%。

图6 最佳工艺条件所制碳球的SEM照片

Fig.6 SEM images of carbon spheres prepared under the optimum conditions

2.2 FT-IR红外分析

图7 水热法制备碳球的红外光谱图

Fig.7 FT-IR spectra of carbon spheres prepared by hydrothermal synthesis

2.3 XRD分析

水热法制备碳球的XRD谱图如图8所示。从图8中可以看出，在2θ=10°～30°间有一个较宽的峰，此外无其他特征峰，表明水热法制备的碳球中含有无定形炭。

图8 水热法制备碳球的XRD谱图

Fig.8 XRD pattern of carbon spheres prepared by hydrothermal synthesis

3 结论

(1)水热法合成单分散碳球的最佳制备工艺为：反应温度160 ℃，反应时间6 h，葡萄糖浓度0.25 mol/L，甲醛用量2 g，体系pH值为8。

[1] 陶志银. 基于葡萄糖的几种功能微/纳米材料的制备、表征及性质研究[D].合肥：安徽大学,2010.

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[12]Lee K U, Kim M J.Catalytic growth of a colloidal carbon sphere by hydrothermal reaction with iron oxide (Fe3O4) catalyst[J]. Materials Letters, 2014,125:213-217.

[责任编辑 彭金旺]

Preparation and characterization of monodisperse carbon spheres by hydrothermal synthesis

JiangXueliang,YuLu,ZhangJiao,SunGang

(School of Material Science and Engineering, Wuhan Institute of Technology, Wuhan 430074, China)

carbon sphere;hydrothermal method; glucose; monodisperse

2014-12-08

国家自然科学基金资助项目(51273154)；武汉工程大学研究生教育创新基金项目(CX2014064).

江学良(1972-)，男，武汉工程大学教授，博士.E-mail:sjtujxl@163.com

TQ323.4

A

1674-3644(2015)02-0101-06