[發明專利]二維結構碳納米材料及其制備方法

無效

• 申請號: 201310703311.X
• 申請日: 2013-12-19
• 公開（公告）號: CN103641101A
• 公開（公告）日: 2014-03-19
• 發明（設計）人: 郭守武;楊永強;吳海霞;吳曉晨;張嘉楠
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

技術領域

本發明涉及的是一種納米材料技術領域的方法，具體是一種二維結構碳納米材料及其制備方法。

背景技術

自2004年Novoselov等在《Science》(科學)（2004，306，666－669）上發表了題為“Electric?field?effect?in?atomically?thin?carbon?films”（原子級碳薄膜的電場效應）的文章，首次制備出石墨烯材料以來，在石墨烯基材料大量研究的帶動下，多種非石墨烯基二維材料也逐漸進入人們的視野，例如無機類二維材料，高分子基二維材料等。這主要是由于相較于它們的塊體材料來說，在電子、催化、傳感、以及能源的轉化和儲存等領域，其對應的二維材料具有更加優異和獨特的性能及更廣泛的應用潛力；尤其是二維材料的巨大比表面積為其進一步的修飾和微加工提供了更廣闊的空間。

經對現有相關文獻檢索發現，目前制備二維材料的方法基本上都會采用“由上而下”的制備方法。這種制備方式的最大特點就是需要其本體材料具有層狀結構特征，通過一些特殊的技術手段對層狀塊體材料解離，從而得到其二維次級結構材料。如上海交通大學郭守武課題組發表在《Chemical?Communications》（2010，46，1112-1114）上題為“Reduction?of?graphene?oxide?via?L-ascorbic?acid”(維生素C還原氧化石墨烯)的文章，其中報道了在強氧化性酸的條件下對層狀石墨進行氧化插層，隨后進行解離得到大量單層二維氧化石墨烯材料。此外，新加坡南洋理工大學的張華課題組利用由上而下的制備方法制備了一系列無機二維材料，其中最具代表性的文章，如發表在《AngewandteChemie?International?Edition》（2012，51，9052-9056）上題為“An?Effective?Method?for?the?Fabrication?of?Few-Layer-Thick?Inorganic?Nanosheets”(一種制備寡層無機納米片的有效方法)的文章，報道了利用鋰離子電池充電的方式，將鋰離子嵌入到層狀塊體材料中，隨后超聲解離得到多種寡層二維無機材料。

雖然采用由上而下的方法已經可以成功制備多種二維結構納米材料，但是層狀塊體材料為原料的先決條件仍然制約了二維納米材料的多樣性發展。因此，為擺脫這種限制，各國科研人員不約而同的想到了采用“由下而上”的策略，也就是以一些分子或納米顆粒通過一定的作用力，豐富二維材料的制備。例如Ikeda等人發表在《AngewandteChemie?International?Edition》（2013，52，4845-4848）上題為“SupramolecularThiopheneNanosheets”(超分子噻吩納米片)的文章，報道了一種利用共聚物高分子材料通過自組裝方式合成一種超分子噻吩納米片，這種納米片由于其表面豐富的官能團在固載熒光分子領域具有潛在的應用。Zhao等人發表在《Journal?of?the?American?Chemical?Society》（2013，135，1524-1530）上題為“Two-Dimensional?Mesoporous?Carbon?Nanosheets?and?Their?Derived?GrapheneNanosheets:Synthesis?and?Efficient?Lithium?Ion?Storage”(二維介孔碳納米片和它的石墨烯衍生物：合成與有效地鋰離子儲存)的文章，報道了一種利用三嵌段共聚物高分子制備球形次級產物，隨后借助陽極氧化鋁模板在水熱條件下制備一種二維高分子薄膜，再通過退火和模板刻蝕得到一種石墨烯基二維介孔碳納米二維材料，這種材料在鋰離子電池負極材料中的應用具有非常好的性能表現。

以上報道的制備二維材料的方法中，都存在一些無法回避的問題。采用由上而下的制備方式，受到層狀塊體材料這個先決條件的限制；而采用由下而上的制備方式，大多需要一些成本較為昂貴的前軀體材料（嵌段共聚物高分子）和/或借助一些模板的輔助條件，從而增加了制備的成本投入。因此，需要尋找一種基于由下而上制備方法，同時實現以較低成本原料直接制備二維納米材料的方法。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種二維結構碳納米材料及其制備方法，通過水熱法直接處理硼氫化鈉和低成本的碳源材料混合液，制備得到二維碳納米材料。

本發明是通過以下技術方案實現的：