[發(fā)明專利]一種制備硫摻雜類石墨烯介孔碳納米材料的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201810053530.0
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號(hào): CN108163833A
• 公開（公告）日: 2018-06-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉金章
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;H01G11/24;H01G11/32;H01M4/583;B82Y30/00;B82Y40/00
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本技術(shù)發(fā)明涉及硫摻雜介孔碳納米材料的制備。多孔碳納米材料在超級(jí)電容器、鋰離子電池負(fù)極、催化、吸附等領(lǐng)域有著很高的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明利用鎂粉與二硫化碳?xì)怏w的熱還原反應(yīng)得到介孔的類石墨烯結(jié)構(gòu)碳納米材料，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量類石墨烯碳材料的大產(chǎn)量制備。將液體二硫化碳用氬氣鼓泡，其揮發(fā)蒸汽被帶入反應(yīng)腔體中，在550?650℃溫度范圍內(nèi)與鎂粉反應(yīng)，得到碳納米材料和硫化鎂的混合物。將產(chǎn)物依次水洗和酸洗，冷凍干燥后得到疏松輕質(zhì)的類石墨烯碳納米材料，硫摻雜的元素百分比約6％。通過消耗鎂粉還原二硫化碳的方法來制備碳納米材料，具有成本低產(chǎn)量高之優(yōu)勢，而且引入的硫摻雜有利于該材料在電化學(xué)儲(chǔ)能電極方面的應(yīng)用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能碳納米材料領(lǐng)域，主要內(nèi)容是一種制備類石墨烯碳納米材料的技術(shù)。通過利用鎂粉與二硫化碳蒸汽的高溫反應(yīng)，生成了碳與硫化鎂混合產(chǎn)物。經(jīng)過酸洗處理后，得到硫摻雜的介孔碳納米材料。該方法工藝簡單、成本低。產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域包括離子電池負(fù)極、超級(jí)電容器、太陽能光熱水蒸發(fā)等。

背景技術(shù)

碳元素是自然界中存在的與人類最密切相關(guān)、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，在加之SP2的異向性導(dǎo)致晶體的各向?qū)院推渌帕械母飨驅(qū)?。因此以碳元素為唯一?gòu)成元素的碳素材料具有各式各樣的性質(zhì)，并且新碳素相合新碳素材料還不斷被發(fā)現(xiàn)和人工制得。介孔碳是一類新型的非硅基介孔材料，2nm<孔徑<50nm,具有巨大的比表面積和孔體積，非常有望在催化劑載體、儲(chǔ)氫材料、電極材料等方面得到重要應(yīng)用，因此受到人們的高度重視。

與純介孔硅材料相比，介孔碳材料表現(xiàn)出特殊的性質(zhì)，有高的比表面積，高孔隙率；孔徑尺寸在一定范圍內(nèi)可調(diào)；介孔形狀多樣，孔壁組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可調(diào)；通過優(yōu)化合成條件可以得到高熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性；合成簡單、易操作、無生理毒性。它的誘人之處還在于其在燃料電池，分子篩，吸附，催化反應(yīng)，電化學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用價(jià)值。近年來，介孔材料科學(xué)已經(jīng)成為國際上跨化學(xué)、物理、材料、生物等學(xué)科交叉的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，更成為材料科學(xué)發(fā)展的一個(gè)重要里程碑。

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化的方式形成的單層原子蜂窩狀的二維納米材料，具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能。它是在2004年被發(fā)現(xiàn)，最初是通過用膠帶剝離高質(zhì)量石墨法得到單層石墨烯。由于石墨烯具有大的比表面積2630m²/g，室溫下高的電子遷移率15,000m²/V/s。石墨烯的制備方法主要分為兩類：濕化學(xué)法和氣相反應(yīng)法?；瘜W(xué)氣相沉積法制備石墨烯產(chǎn)率低且反應(yīng)條件苛刻，需要高溫真空環(huán)境。而濕化學(xué)法中的Hummer’s法，即將石墨粉進(jìn)行氧化剝離，然后對單原子層的氧化石墨烯進(jìn)行還原，具有易于工業(yè)化制備之優(yōu)勢。但是制備步驟繁瑣，且需要大量的化學(xué)試劑，并無成本優(yōu)勢。目前市場上的氧化石墨烯價(jià)格約為550元/克，昂貴價(jià)格是通往工業(yè)化應(yīng)用的主要障礙。

發(fā)明內(nèi)容

本技術(shù)發(fā)明首次將鎂粉(Mg)和二硫化碳(CS₂)蒸汽在低壓高溫條件下反應(yīng)，最終制備了硫摻雜的三維結(jié)構(gòu)介孔類石墨烯碳納米材料。本技術(shù)突出的優(yōu)勢是能夠大產(chǎn)量生產(chǎn)，而且初步測試發(fā)現(xiàn)該碳材料產(chǎn)品在太陽能海水淡化、鋰離子電池負(fù)極等應(yīng)用方面皆表現(xiàn)出優(yōu)異性能。

本發(fā)明所用的化學(xué)原料廉價(jià)且常見，制備工藝可進(jìn)一步升級(jí)以滿足規(guī)模化生產(chǎn)需求。

本技術(shù)發(fā)明采用鎂粉與氯化鈉粉混合，在真空管式爐中與氬氣帶入的二硫化碳蒸汽反應(yīng)，生成硫化鎂和碳，2Mg+CS₂→2MgS+C。氯化鈉的作用是為了使鎂粉反應(yīng)徹底，提高碳納米材料的產(chǎn)量。混合物反應(yīng)前后的圖片如圖1所示。混合物經(jīng)過水洗和酸洗步驟，提純得到疏松的碳納米材料，電子顯微鏡圖片如圖2所示。二硫化碳在常溫常壓下是易揮發(fā)的液體。我們用氬氣鼓泡法將二硫化碳蒸汽帶入真空管式爐中。在550-650℃溫度范圍內(nèi)發(fā)生鎂熱還原反應(yīng)。

制備過程具體包括以下步驟：