一种具有低电子转移阻抗的导电碳材料的制备方法与流程

本发明涉及一种具有低电子转移阻抗的导电碳材料的制备方法，属于碳材料制备技术领域。

背景技术：

水热碳化是指在密闭的高压釜里，以水做溶剂，在低于300℃条件下，由于水的蒸发自生压力，使生物质材料在水热条件下通过脱水和聚合的过程形成水热碳材料。由于水热法易操作、低成本、低毒性、产物有良好生物相容性等优点应用广泛。但水热碳纳米材料由于反应条件温和，通常产物多为无定形碳，表面含有丰富官能团，碳材料石墨化程度低，所以一定程度上影响了在电学性能的应用和推广。

目前已报道的提高碳材料导电性的方法主要有异质元素掺杂，异质元素可以改变材料的物理、电学和化学性质。当前驱体成分中含有异质元素（n,s,p,b等）时，将获得具有该元素掺杂的碳材料，由于异质元素电负性较强和能够提供孤对电子，材料电子转移阻抗降低。还有通过在反应体系中加入浓硫酸，浓硫酸处理能够将水热碳材料中无序碳结构转换成石墨碳结构，浓硫酸将碳材料中o与h从官能团c-oh，c-h，c=o中剥离，脱水碳化成石墨结构。从而提高导电性能。另外一种提高导电性的方法是在氮气氛中高温处理，降解表面官能团和杂质，不稳定的官能团能生成更稳定、紧密的结构，从而提高导电性，但高温热处理过程难控制，其中带来新的结构缺陷和含氧官能团的脱落，而导致材料的亲水性降低。因此，应用也受到一定程度限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有低电子转移阻抗的碳材料的制备方法，该制备方法通过水热法，具有工艺简单、成本低、环保无毒的特点。碳材料中掺杂有异质元素，且可通过控制反应条件控制碳材料中异质元素含量。适用于制备导电油墨。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种具有低电子转移阻抗的碳材料以糖类化合物葡萄糖等，氨基酸l-半胱氨酸等和浓硫酸为反应物，以水热反应釜为容器通过一步水热法制成，具体制备步骤包括：

加入糖类化合物、氨基酸于反应器中，逐滴加入浓硫酸，待烘箱升温至180～220℃后，将反应器置于烘箱3～5小时，取出反应器经中和、洗涤、干燥得到掺杂碳材料，所述糖类化合物、氨基酸、浓硫酸的质量比为1：0.06：6～1：0.26：18。

所述的糖类化合物选自葡萄糖、果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖中的一种以上，氨基酸为天冬氨酸、l-甘氨酸、l-精氨酸中的一种以上；

本发明所述方法能提高碳材料的导电性，降低碳材料的电子转移阻抗，与现有方法相比较，具有以下优点：

1)本发明的反应机理是利用糖类化合物和氨基酸发生美拉德反应，生成含有氮、硫元素的芳香化结构碳材料，降低碳材料的电子转移阻抗。

2)本发明通过加入不同浓硫酸含量，可以不同的程度提高无定形碳的石墨化程度，改变碳材料的电子转移阻抗。

3)本发明通过控制糖类化合物和氨基酸的比例，可实现调控碳材料中掺杂元素含量。

4)本发明所述方法使用生物质材料，不需添加有机溶剂，不需严苛反应条件和复杂工艺设备，反应过程简单、易操作。制备碳材料具有低电子转移阻抗和良好的生物相容性。

附图说明

图1为本发明制备具有低电子转移阻抗的导电碳材料的流程图。

图2为本发明制备的低电子转移阻抗的导电碳材料的粉末样品实物图。

图3为本发明制备的低电子转移阻抗的导电碳材料的透射电镜图。

图4为本发明制备的低电子转移阻抗的导电碳材料的能奎斯特图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细描述。

如图1为本发明制备具有低电子转移阻抗的导电碳材料的流程图，如图所示，本发明具体包括如下步骤：

s101：将糖类化合物、氨基酸按照一定比例混合置于反应器中，并以水为溶剂溶解，逐滴加入浓硫酸，并不断搅拌；

s102：待烘箱升温稳定至180～220℃后，将反应器置于烘箱加热3～5小时；

s103：随后取出反应釜，冷却至室温，将水热产物经氢氧化钠溶液中和，蒸馏水和无水乙醇洗涤，过滤取固体粉末随后干燥得到掺杂碳材料。

下面结合具体实施例对本发明的应用原理作进一步的描述。

实施例一

取1.5g葡萄糖，0.4gl-半胱氨酸，加入10ml蒸馏水。随后逐滴加入10ml浓硫酸。l-半胱氨酸作为掺杂剂在反应中提供n、s原子。随后将混合物在聚四氟乙烯反应釜中以180℃加热5h。随后冷却至室温，得到的棕黑色产物通过氢氧化钠溶液中和水热产物，调整ph至7.0。样品进一步用水和无水乙醇洗涤，以定性滤纸过滤，最后将样品放置在70°c烘箱中隔夜干燥。得到粉末状样品见图2，透射电镜图见图3，从图中可以看出，制备的碳材料为10-30nm的碳颗粒相互黏连在一起。其元素分析见表1。

表1元素含量分析表

将制备的导电碳材料修饰于玻碳电极（gce）表面，并在表面覆盖全氟磺酸隔膜（nafion），用于电化学阻抗谱测试，在0.1mkcl含有5mmk3[fe(cn)6]/k4[fe(cn)6](1:1)的溶液中进行，频率范围为1.0×10^-1to1.0×10^-5hz，偏压为5mv。如图4所示，加入掺杂剂l-半胱氨酸的氮硫掺杂碳材料修饰的玻碳电极（gce/ns-c/nafion）的电子转移阻抗最小为46ω，而与此对照不加入掺杂剂的碳材料（gce/uc/nafion）电子转移阻抗为476ω。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种具有低电子转移阻抗的导电碳材料的制备方法，所述方法制备导电碳材料以糖类化合物葡萄糖等作为碳源，氨基酸中含有氮、硫元素作为掺杂剂，浓硫酸可以控制碳材料的石墨化结构，通过改变反应物的量可以调控电子转移阻抗大小和亲水性。本发明的导电碳材料修饰的玻碳电极的电子转移阻抗达到46Ω‑200Ω。本发明的导电碳材料通过水热法合成，具有工艺简单、成本低、环保无毒的特点。

技术研发人员：刘仁材;胡博韬;陈靖容
受保护的技术使用者：中国科学院大学;胡博韬
技术研发日：2017.07.05
技术公布日：2017.10.24