碳微球具有自燒結性能、化學惰性、高堆積密度、優良的導電和導熱性等優異性能，廣泛用于高密高強碳材料、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用。

一、碳微球概述

球形碳材料是在20世紀60年代發現的，人們在研究焦炭的形成過程中發現瀝青類化合物在熱處理過程中會發生中間相轉變，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

碳微球按照內部結構可分為實心碳微球、中空碳微球和核殼碳微球。中空碳微球比實心碳微球和核殼碳微球密度小，比表面積大，在吸附性領域更具優勢；石墨化程度高的碳微球比石墨化程度低的碳微球穩定性更好，在電學、磁學和力學領域更具優勢。

二、碳微球制備方法

碳微球制備方法主要有：溶劑（水）熱法、化學氣相沉積法（CVD 法）、模板法、機械球磨法、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 種相對有效的方法，但3種不同方法所得碳微球的結構和性能迥異。

1、溶劑（水）熱法

溶劑熱法是合成具有特種結構和性能的化合物與新材料的一種有效方法，是目前研究的熱點之一。溶劑熱法制備碳微球是在高溫高壓密閉環境中，原料經過脫水、裂解、環化、縮聚和芳構化等一系列化學反應碳化成球形。原料主要為生物質，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。

溶劑熱法優點是：成本低，產量較高，溫度要求較低（300℃左右），所得產物表面富含豐富的官能團。

缺點是：石墨化程度低，幾乎呈無定形狀態，通常還需要通過在惰性氣氛下的高溫熱處理來提高其石墨化程度。

溶劑（水）熱法（葡萄糖碳源）制備碳微球SEM圖

2、化學氣相沉積法（CVD 法）

目前，化學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氣相沉積和無催化化學氣相沉積。

（1）有催化化學氣相沉積

有催化化學氣相沉積基本原理與化學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）流經催化劑表面時進行催化分解，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，這些一般都是化學性質比較活潑的含有不飽和化學鍵的化合物；過渡金屬、稀有金屬或金屬氧化物常常用作催化劑；氬氣、氮氣或氫氣等通常用作載氣。

（2）無催化化學氣相沉積

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

化學氣相沉積法優點是：產物的石墨化程度較高，穩定性好。

缺點是：表面的官能團相對較少，對溫度的要求較高（≥900℃），成本高，產量較低。

化學氣相沉積法制備碳微球SEM圖

3、模板法

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

模板法優點是：碳微球形貌可控、粒徑均一。

缺點是：制備過程較復雜，去除模板過程中可能破壞碳微球結構。

模板法（酚醛樹脂作為碳源）制備碳微球SEM圖

4、機械球磨法

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

機械球磨法優點是：工藝簡單、操作方便、成本低等優點。

缺點是：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定介質，經加熱、攪拌乳化成懸濁液，進行反應成球。

乳化法優點是：碳微球分散性極好。

缺點是：對熱穩定介質的要求較高，而且所得產物需進行進一步氧化處理，使得乳化法工藝流程復雜、設備繁多。

三、碳微球應用

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

1、鋰離子電池電極材料

中間相碳微球已成為生產鋰離子電池負極材料的主要原料。采用硬碳球（HCS）作鋰離子電池電極材料，發現其可逆容量高達430mA/g，循環性能也很好，而且在其表面負載上納米SnSb合金后，其儲鋰性能和循環穩定性都有較大的提高。

碳微球應用于鋰離子電池負極材料

2、電化學電容器電極材料

電化學電容器是目前發展的一種新穎的能源儲存設備，兼具傳統的化學電源與靜電電容器兩者的特性，具有功率高、電容量大、強電流下充放電迅速、使用壽命長等不可取代的優勢，廣泛應用與國防科技、通信設施以及交通運輸等領域。碳球材料與乙炔黑、聚四氟乙烯等混合后制成電極材料，利用循環伏安法研究了其電化學電容特性，發現該材料具有較為典型的充放電性能，在電化學電容器電極材料領域得到了廣泛應用。

碳微球應用于電化學電容器電極材料

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勢，成為該研究領域的首選模板材料。

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度、高比表面積和強吸附能力。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、化學性能，而碳微球不僅具備了載體應有的功能，且其表面容易接枝活性基團，這些活性基團可與催化劑有效結合并能使其適時釋放，因此，碳微球在催化劑載體領域也得到了廣泛的應用。

碳微球應用于燃料電池催化劑載體

6、儲氫材料

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

碳微球應用于儲氫材料

7、功能材料的添加劑

碳微球具有獨特的結構和功能，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，可不經改性處理在碳微球表面直接接枝功能基團而制備成功能添加劑。例如：Cu/碳微球復合材料，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：1、聶響亮，碳微球的溶劑熱法制備及其在修飾電極上的應用。

2、張浩，曹高萍，楊裕生等，電化學雙電層電容器用新型炭材料及其應用前景。

3、譚三香，譚紹早，劉應亮等，載銅活性炭微球的制備及抗菌性能。

4、林麗霞，機械球磨制備碳微球的工藝及相關性能研究。

作者：李波濤