[發(fā)明專利]一種片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料的制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610281333.5
• 申請日: 2016-04-29
• 公開（公告）號: CN105776181B
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙宗彬;董琰峰;王治宇;邱介山
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/158;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 大連星海專利事務(wù)所有限公司 21208
• 代理人: 花向陽;楊翠翠

一種片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料的合成方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。基于金屬有機骨架化合物在層狀無機模板二維納米孔道內(nèi)部的插層生長、限域碳化及酸腐蝕去除模板過程，獲得片狀納米多孔碳與碳納米管的復(fù)合材料。本方法簡單可靠，易于實現(xiàn)二維納米多孔碳片材料與一維碳納米管復(fù)合材料的規(guī)模化生產(chǎn)。所得納米多孔碳片與碳納米管復(fù)合材料化學(xué)組成與孔隙結(jié)構(gòu)高度可控，在催化、能源存儲與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料的制備方法，屬于新材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

片狀納米多孔碳是指具有準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)的多孔納米碳材料。與粒狀納米材料相比，片狀二維納米多孔材料具有高度開放的微觀結(jié)構(gòu)、更大的比表面積、更短的荷質(zhì)擴散/傳輸長度及獨特的二維面內(nèi)電子傳輸效應(yīng)，是近年來功能納米材料研究的熱點領(lǐng)域之一，在儲能、催化、光電材料等領(lǐng)域極具應(yīng)用前景。而碳納米管具有一維納米管狀結(jié)構(gòu)，具有良好的機械性能和導(dǎo)電性能。

碳材料具有良好的物理化學(xué)穩(wěn)定性、導(dǎo)電性及結(jié)構(gòu)柔韌性，廣泛應(yīng)用于能源、催化、生物醫(yī)療等領(lǐng)域。以石墨烯為代表的二維納米碳材料有機結(jié)合了碳材料與二維納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，是一類結(jié)構(gòu)新穎、性能獨特的功能納米材料。二維納米碳材料的傳統(tǒng)制備方法主要基于化學(xué)氣相沉積、微機械剝離法、溶劑剝離等方法，此類方法制備過程繁瑣，難以實現(xiàn)對二維納米碳材料化學(xué)組成與微觀結(jié)構(gòu)的同步調(diào)控，因而難以得到廣泛應(yīng)用。

金屬有機骨架化合物是由含氧、氮等的多齒有機配體與過渡金屬離子自組裝而成的配位聚合物，一般以金屬離子為連接點，有機配體位支撐構(gòu)成孔隙豐富的三維有序結(jié)構(gòu)，在多種領(lǐng)域內(nèi)具有應(yīng)用潛力。金屬有機骨架化合物一般碳含量較高，內(nèi)部天然富含大量的雜原子(如氮等)與金屬原子，可以通過簡單的熱解碳化過程實現(xiàn)向納米碳材料的轉(zhuǎn)化與組成結(jié)構(gòu)調(diào)控。在此過程中，金屬有機骨架化合物豐富的孔隙結(jié)構(gòu)可大部分得到保存，因而由其衍生的納米碳材料往往無需活化即可擁有高比表面積。此外，金屬有機骨架化合物結(jié)構(gòu)高度有序，形貌、尺寸、晶面結(jié)構(gòu)可控，以之作為結(jié)構(gòu)前驅(qū)體可容易地實現(xiàn)對衍生納米碳材料微觀結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，不僅如此，金屬有機骨架化合物中的氮和金屬原子碳化后可保留在所制備的碳素材料之中，賦予碳素材料良好的反應(yīng)活性和催化活性。因此，金屬有機骨架化合物被認(rèn)為是構(gòu)筑具有高比表面積、雜原子摻雜以及孔道可調(diào)的納米碳材料的理想前驅(qū)體。目前常規(guī)方法僅能獲得金屬有機骨架化合物衍生的微納米顆粒，以金屬有機骨架化合物為前驅(qū)體構(gòu)筑二維納米碳材料，特別是構(gòu)筑二維納米多孔碳與一維碳納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)仍是功能材料研究領(lǐng)域的巨大挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料的制備方法，該制備方法提出以金屬有機骨架化合物作為結(jié)構(gòu)前驅(qū)體，以具有二維納米孔道結(jié)構(gòu)的商業(yè)化無機層狀化合物作為結(jié)構(gòu)模板，基于不同金屬有機骨架化合物在層狀無機模板二維納米孔道內(nèi)部的插層生長、限域碳化及酸腐蝕去除模板過程，獲得組成結(jié)構(gòu)高度可控的片狀多孔納米碳與碳納米管的復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明工藝簡單，使用商業(yè)化前驅(qū)體與模板劑可大大降低生產(chǎn)成本，易于實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料的制備方法包括如下步驟：

a、將層狀無機模板加到過渡金屬鹽的溶液中超聲攪拌下浸泡30分鐘，使層狀無機模板層間陽離子發(fā)生離子交換，獲得金屬離子改性的層狀無機模板，反應(yīng)溫度為室溫；所用溶劑為水、甲醇或乙醇中的一種；

b、將步驟a中得到的金屬離子改性的層狀無機模板與過渡金屬鹽、有機配體混合，常溫下反應(yīng)24小時，獲得有機骨架化合物插層無機模板的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

c、將步驟b中得到的有機骨架化合物插層無機模板的復(fù)合結(jié)構(gòu)，在常壓下，于設(shè)定煅燒氣氛下得到納米碳插層的復(fù)合結(jié)構(gòu)；

d、將步驟c中得到的納米碳插層的復(fù)合結(jié)構(gòu)與氫氟酸溶液反應(yīng)去除無機模板，用去離子水和乙醇反復(fù)洗滌產(chǎn)物，烘干后得到所述片狀納米多孔碳與碳納米管復(fù)合材料，酸洗反應(yīng)溫度為室溫，反應(yīng)時間為6-24小時。