碳微球具有自燒結(jié)性能、化學(xué)惰性、高堆積密度、優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性等優(yōu)異性能，廣泛用于高密高強(qiáng)碳材料、高性能液相色譜柱填料、催化劑載體、超高比表面積活性炭和鋰離子二次電池負(fù)極材料等，越來越受到人們的重視。下面小編簡要介紹碳微球的制備方法及應(yīng)用。

一、碳微球概述

球形碳材料是在20世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)的，人們在研究焦炭的形成過程中發(fā)現(xiàn)瀝青類化合物在熱處理過程中會(huì)發(fā)生中間相轉(zhuǎn)變，生成中間相小球，稱為中間相碳微球。

左圖：碳微球示意圖；右圖：碳微球SEM圖

碳微球按照內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為實(shí)心碳微球、中空碳微球和核殼碳微球。中空碳微球比實(shí)心碳微球和核殼碳微球密度小，比表面積大，在吸附性領(lǐng)域更具優(yōu)勢；石墨化程度高的碳微球比石墨化程度低的碳微球穩(wěn)定性更好，在電學(xué)、磁學(xué)和力學(xué)領(lǐng)域更具優(yōu)勢。

二、碳微球制備方法

碳微球制備方法主要有：溶劑（水）熱法、化學(xué)氣相沉積法（CVD 法）、模板法、機(jī)械球磨法、乳化法等。其中溶劑熱法、 CVD 法和模板法是目前制備碳微球的 3 種相對(duì)有效的方法，但3種不同方法所得碳微球的結(jié)構(gòu)和性能迥異。

1、溶劑（水）熱法

溶劑熱法是合成具有特種結(jié)構(gòu)和性能的化合物與新材料的一種有效方法，是目前研究的熱點(diǎn)之一。溶劑熱法制備碳微球是在高溫高壓密閉環(huán)境中，原料經(jīng)過脫水、裂解、環(huán)化、縮聚和芳構(gòu)化等一系列化學(xué)反應(yīng)碳化成球形。原料主要為生物質(zhì)，如單糖（葡萄糖、果糖）、低聚糖（蔗糖）、多糖（纖維素）以及單糖與低聚糖的混合物等。

溶劑熱法優(yōu)點(diǎn)是：成本低，產(chǎn)量較高，溫度要求較低（300℃左右），所得產(chǎn)物表面富含豐富的官能團(tuán)。

缺點(diǎn)是：石墨化程度低，幾乎呈無定形狀態(tài)，通常還需要通過在惰性氣氛下的高溫?zé)崽幚韥硖岣咂涫潭取?/span>

溶劑（水）熱法（葡萄糖碳源）制備碳微球SEM圖

2、化學(xué)氣相沉積法（CVD 法）

目前，化學(xué)氣相沉積法是制備碳球所廣泛使用的方法，它又分為有催化化學(xué)氣相沉積和無催化化學(xué)氣相沉積。

（1）有催化化學(xué)氣相沉積

有催化化學(xué)氣相沉積基本原理與化學(xué)氣相沉積法制備碳納米管相同，即把含有碳源的氣體（或蒸氣）流經(jīng)催化劑表面時(shí)進(jìn)行催化分解，從而生成碳球。乙烯、乙炔、苯乙烯、苯、甲苯、甲烷等通常用作碳源，這些一般都是化學(xué)性質(zhì)比較活潑的含有不飽和化學(xué)鍵的化合物；過渡金屬、稀有金屬或金屬氧化物常常用作催化劑；氬氣、氮?dú)饣驓錃獾韧ǔＳ米鬏d氣。

（2）無催化化學(xué)氣相沉積

無催化化學(xué)氣相沉積是不用任何催化劑，直接在保護(hù)氣氛下熱分解氣相含碳有機(jī)物即可制得碳球。

化學(xué)氣相沉積法優(yōu)點(diǎn)是：產(chǎn)物的石墨化程度較高，穩(wěn)定性好。

缺點(diǎn)是：表面的官能團(tuán)相對(duì)較少，對(duì)溫度的要求較高（≥900℃），成本高，產(chǎn)量較低。

化學(xué)氣相沉積法制備碳微球SEM圖

3、模板法

模板法可根據(jù)所需材料形貌的不同選用不同的模板，使產(chǎn)物的形狀和性能易于控制，但模板必須要去除，去除工藝相對(duì)繁冗復(fù)雜且去除過程中極有可能造成碳微球結(jié)構(gòu)和性能的破壞，增加了制備工藝的難度。用模板法制備碳球，碳球的結(jié)構(gòu)和大小都易于控制，故可大量制備結(jié)構(gòu)和大小均勻的碳球。目前，實(shí)心、空心和多孔的碳球已經(jīng)用各種模板成功地制備出來。

模板法優(yōu)點(diǎn)是：碳微球形貌可控、粒徑均一。

缺點(diǎn)是：制備過程較復(fù)雜，去除模板過程中可能破壞碳微球結(jié)構(gòu)。

模板法（酚醛樹脂作為碳源）制備碳微球SEM圖

4、機(jī)械球磨法

機(jī)械球磨法是通過球磨機(jī)鋼球和原料的高頻碰撞產(chǎn)生碳微球。主要原料為：固體碳黑、碳納米管、石墨粉等。

機(jī)械球磨法優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)是：影響因素多，難以控制；制備的碳微球球形度差、粒度均勻性不好。

機(jī)械球磨法（石墨作為碳源）制備碳微球SEM圖

5、乳化法

乳化法制備碳微球是將原料瀝青溶于熱穩(wěn)定介質(zhì)，經(jīng)加熱、攪拌乳化成懸濁液，進(jìn)行反應(yīng)成球。

乳化法優(yōu)點(diǎn)是：碳微球分散性極好。

缺點(diǎn)是：對(duì)熱穩(wěn)定介質(zhì)的要求較高，而且所得產(chǎn)物需進(jìn)行進(jìn)一步氧化處理，使得乳化法工藝流程復(fù)雜、設(shè)備繁多。

三、碳微球應(yīng)用

目前，碳微球已在鋰離子電池電極材料、電化學(xué)電容器電極材料、空心球狀材料的制作模板、吸附材料、燃料電池催化劑載體、儲(chǔ)氫材料和功能材料的添加劑等領(lǐng)域應(yīng)用，并形成了一定的市場規(guī)模。

1、鋰離子電池電極材料

中間相碳微球已成為生產(chǎn)鋰離子電池負(fù)極材料的主要原料。采用硬碳球（HCS）作鋰離子電池電極材料，發(fā)現(xiàn)其可逆容量高達(dá)430mA/g，循環(huán)性能也很好，而且在其表面負(fù)載上納米SnSb合金后，其儲(chǔ)鋰性能和循環(huán)穩(wěn)定性都有較大的提高。

碳微球應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料

2、電化學(xué)電容器電極材料

電化學(xué)電容器是目前發(fā)展的一種新穎的能源儲(chǔ)存設(shè)備，兼具傳統(tǒng)的化學(xué)電源與靜電電容器兩者的特性，具有功率高、電容量大、強(qiáng)電流下充放電迅速、使用壽命長等不可取代的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用與國防科技、通信設(shè)施以及交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。碳球材料與乙炔黑、聚四氟乙烯等混合后制成電極材料，利用循環(huán)伏安法研究了其電化學(xué)電容特性，發(fā)現(xiàn)該材料具有較為典型的充放電性能，在電化學(xué)電容器電極材料領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

碳微球應(yīng)用于電化學(xué)電容器電極材料

3、空心球狀材料的制作模板

空心球狀材料具有密度小、比表面積大的優(yōu)異性能，制作模板是決定空心球狀材料性能的主要因素，碳微球材料因其煅燒即可去除的優(yōu)勢，成為該研究領(lǐng)域的首選模板材料。

碳微球作模板制Ga₂O₃與GaN空心球的過程示意圖

4、吸附材料

微球形活性炭具有一般活性炭不可比擬的高強(qiáng)度、高比表面積和強(qiáng)吸附能力。活性碳微球上面還可以載銀、銅等具有抗菌作用的離子，又賦予其抗菌效果，在吸附性、凈化水處理方面也起到了一定的作用。

碳微球應(yīng)用于吸附材料示意圖

5、燃料電池催化劑載體

催化劑載體需具有很好的耐高溫和耐酸堿等物理、化學(xué)性能，而碳微球不僅具備了載體應(yīng)有的功能，且其表面容易接枝活性基團(tuán)，這些活性基團(tuán)可與催化劑有效結(jié)合并能使其適時(shí)釋放，因此，碳微球在催化劑載體領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。

碳微球應(yīng)用于燃料電池催化劑載體

6、儲(chǔ)氫材料

氫能作為一種嶄新的潔凈能源，成為各國研究的熱點(diǎn)。碳微球具有比表面積大、孔徑小且均勻的優(yōu)越性能，作為吸氫物質(zhì)加入到儲(chǔ)氫容器中可以大幅度提高壓縮儲(chǔ)氫的儲(chǔ)氫密度。

碳微球應(yīng)用于儲(chǔ)氫材料

7、功能材料的添加劑

碳微球具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和功能，特別是溶劑熱法制備的碳微球，其表面含有豐富的含氧官能團(tuán)，可不經(jīng)改性處理在碳微球表面直接接枝功能基團(tuán)而制備成功能添加劑。例如：Cu/碳微球復(fù)合材料，通過抗菌性能測試，載銅活性碳微球具有良好的抗菌活性。

參考文獻(xiàn)：1、聶響亮，碳微球的溶劑熱法制備及其在修飾電極上的應(yīng)用。

2、張浩，曹高萍，楊裕生等，電化學(xué)雙電層電容器用新型炭材料及其應(yīng)用前景。

3、譚三香，譚紹早，劉應(yīng)亮等，載銅活性炭微球的制備及抗菌性能。

4、林麗霞，機(jī)械球磨制備碳微球的工藝及相關(guān)性能研究。

作者：李波濤