[發(fā)明專利]一種無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層的復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711154370.0
• 申請(qǐng)日: 2017-11-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109809428A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁鑫淼;孫西同;郭志謀;于偉;閆競(jìng)宇;豐加濤;金高娃;李佳齊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): C01B39/02
• 分類號(hào): C01B39/02;B82Y40/00;B82Y30/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司 21002
• 代理人: 馬馳

本發(fā)明涉及一種無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層的復(fù)合材料，其特征在于該材料兼具有無(wú)機(jī)載體和碳材料的雙重性質(zhì)，內(nèi)核為無(wú)機(jī)載體，表面為包覆碳層，且碳層形貌和厚度可控。所述無(wú)機(jī)載體既可為硅基載體，也可為非硅基載體，既可為無(wú)孔材料，也可為多孔材料。碳源為葡萄糖、蔗糖、淀粉、纖維素等生物質(zhì)原料。本發(fā)明還提供了上述復(fù)合材料的制備方法，具體包括：(1)無(wú)機(jī)載體表面硅烷化法修飾氨基；(2)以上述生物質(zhì)為碳源，水熱法在無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層；(3)高溫焙燒提高碳層石墨化性質(zhì)。該復(fù)合材料制備過(guò)程簡(jiǎn)單、方便、成本低、適用范圍廣且易于工業(yè)化，在吸附、色譜分離和電池材料等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型碳復(fù)合材料及其制備方法，具體地說(shuō)是一種在無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層的復(fù)合材料。

技術(shù)背景

碳是自然界含量最豐富、最重要的元素之一，具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電導(dǎo)熱性，故以碳為主體的材料已在吸附、催化、能量?jī)?chǔ)存等領(lǐng)域得到廣發(fā)應(yīng)用(Titirici,MM,Chem.Soc.Rev.,2015,44,250)。基于碳材料優(yōu)良的性能，尋求高產(chǎn)碳率、低成本的制備方法一直是研究熱點(diǎn)。目前碳材料的制備方法主要包括高溫?zé)峤夥ā⒒瘜W(xué)氣相沉積法、電弧放電法、模板法、水熱碳化法等。其中，水熱碳化法是一種優(yōu)于其他方法的綠色、可持續(xù)的產(chǎn)碳途徑，其操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和，且以廉價(jià)的生物質(zhì)為原材料，水為反應(yīng)媒介(Titirici,MM et al.,Energy Environ.Sci.,2012,5,6796)。但水熱碳材料的形貌和孔徑可控性相對(duì)較差。主要表現(xiàn)在①水熱碳材料中最常見(jiàn)的水熱碳球，粒徑一般在10μm以下，且粘連很嚴(yán)重，10μm以上基本無(wú)法合成；②直接水熱后的碳球比表面積和孔隙率比較低，目前一般通過(guò)高溫焙燒活化來(lái)提高性能，但焙燒產(chǎn)生主要為微孔，導(dǎo)致其在大尺寸分子(生物大分子、染料等)吸附、色譜分離、鋰離子電池等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用都受到限制。因此，開(kāi)發(fā)形貌和孔徑可控的碳材料具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

此外，傳統(tǒng)碳材料主要利用了碳的性質(zhì)，但碳材料本身存在的一些問(wèn)題使其在使用中產(chǎn)生了諸多不便，例如①碳材料的機(jī)械強(qiáng)度一般較低，無(wú)法在高壓條件下使用；②活性炭等常作為脫色劑，但其存在極細(xì)顆粒，在脫色結(jié)束后過(guò)濾去除的過(guò)程中會(huì)穿過(guò)濾布，污染產(chǎn)品。如果在SiO₂等形貌高度可控的無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層，使其兼具有碳和載體的性質(zhì)，則將在很大程度上提高其適用范圍，例如在球形硅膠表面負(fù)載一層均勻的碳層，則可借助硅膠的高機(jī)械強(qiáng)度性質(zhì)應(yīng)用于高效色譜分離中；在大粒徑球型硅膠表面負(fù)載碳層，則有助于其使用完后快速沉降回收。而在其他一些領(lǐng)域，碳層也可起到強(qiáng)化載體性質(zhì)的作用，例如在Si粉表面包覆碳層可有望提高其作為鋰離子電池負(fù)極材料的導(dǎo)電性和循環(huán)使用性。

基于以上分析，本發(fā)明充分考慮了無(wú)機(jī)載體和碳材料的雙重性質(zhì)，提出利用水熱碳化方法制備無(wú)機(jī)載體表面包覆均勻碳層的復(fù)合材料。主要通過(guò)對(duì)載體修飾氨基，利用其在酸性條件下對(duì)水熱碳的靜電作用，誘導(dǎo)水熱碳在載體表面聚合生長(zhǎng)。當(dāng)前，尚沒(méi)有通過(guò)此法制備此類復(fù)合材料的報(bào)道和產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種無(wú)機(jī)載體表面負(fù)載碳層的復(fù)合材料及其制備方法。該材料特征在于兼具有無(wú)機(jī)載體和碳材料的雙重性質(zhì)，內(nèi)核為無(wú)機(jī)載體，表面為包覆碳層，且碳層形貌和厚度可控。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：無(wú)機(jī)載體表面包覆碳層的復(fù)合材料，其具體結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

所用無(wú)機(jī)載體既可為硅、二氧化硅等硅基載體，也可為金屬、金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物、金屬氟化物、金屬碳化物等非硅基載體，所述金屬元素為鈦、鐵、鈀、鎘、鈰、鎢、鋅、硒、碲、銅、鉬、鎳、鉛、銀、汞中一種或兩種以上。

所用無(wú)機(jī)載體的形貌為無(wú)定型、球形、棒狀、片狀等各種形貌材料。

所用無(wú)機(jī)載體為無(wú)孔、微孔、介孔或大孔材料。

所包覆碳層的厚度為0.1～500nm，碳元素為sp²或sp³雜化碳，含碳量為 1％～50％。