[發明專利]一種具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料及其制備方法

有效

• 申請號: 201811642725.5
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109574000B
• 公開（公告）日: 2020-09-29
• 發明（設計）人: 石珉滈;皮濤;王志勇;石磊;黃越華;邵浩明;余夢澤;李星星
• 申請（專利權）人: 湖南中科星城石墨有限公司
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;B82Y40/00
• 代理公司: 長沙中科啟明知識產權代理事務所(普通合伙) 43226
• 代理人: 匡治兵

本發明提供了一種具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料及其制備方法，采用含有C、H、O、N中兩種或兩種以上元素的一種或多種小分子有機物，且所述有機物必須含有N元素并具有環狀結構，在合適的催化條件下形成具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料。所得碳材料由數層N摻雜的類石墨碳層構成，并具有延展性，可通過自由沉積制成微米級粉體，或通過基板生長并除去基板后得到大面積的碳膜或泡沫。本發明制作工藝新穎、材料結構獨特、性能優異。

技術領域

本發明涉及一種碳材料及其制備方法，尤其涉及一種特殊卷曲多層碳納米壁可延展結構構成的碳材料及其制備方法。

背景技術

由于碳原子之間存在sp、sp²、sp³三種雜化形式，因此碳材料具有多種多樣的構成形式，同時由于其結構的不同，在硬度、導電、導熱、光學等方面體現出截然不同的性質，因此碳材料在現代工業中占據重要的地位。碳材料由最初的炭黑類人造石墨類材料發展至碳纖維碳碳復合材料等新型工程材料，再到被廣泛研究的石墨烯，碳納米管等材料，從基礎材料制備，到微觀結構控制，再到目前納米結構及原子排列的控制使得碳材料具備了更優異的性能從而適應更加極端以及復雜的工作環境。

在各種納米結構中，雖然在導電性、機械強度、導熱性能都得到了明顯的提升并獲得了優異的性能，但是具有特殊納米結構并從宏觀上可制備的大量的單塊具有延展性的碳材料或者大量的微米級粉末尚未被報道。

基于此，本專利首次使用含有C、H、O、N中兩種或兩種以上元素的一種或多種小分子有機物(其中至少一種有機物含有N元素)為原料，該種有機物還需本身具有一定的環狀結構（可以為配位環，吡啶環，苯環等），在合適的催化劑及熱力學條件下具有上述特征的有機物在催化條件下可形成具有豐富卷曲結構的多層碳納米壁可延展結構構成的碳材料。

發明內容

本發明是為了克服現有技術的不足，提供一種特殊卷曲多層碳納米壁可延展結構構成的碳材料及其制備方法。

本發明是通過以下技術方案予以實現的：

一種具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料，其特征在于，所述具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料由數層N摻雜的類石墨碳層構成，并且有延展性。

進一步的，一種具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料，其特征在于：

（Ⅰ）單個的卷曲結構由數層N摻雜的類石墨碳層構成；

（Ⅱ）該材料延展性來源于以多層碳以卷曲褶皺的M型疊加的形式構成，形成可延展蜷曲多層碳納米壁陣列結構構成的碳材料；

（Ⅲ）本材料可通過自由沉積制成微米級粉體，或通過基板生長并除去基板后得到大面積的碳膜/泡沫/空心碳殼。

一種具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

A1、將碳源和催化劑置入反應器，再通入惰性氣體置換空氣氣氛，并將氣壓控制在1atm-5atm；

A2、待氣壓穩定且氧含量低于200ppm后，經過升溫將最高溫度維持在500-1200℃的溫度區間內，進行催化裂解1-8h；

A3、將步驟A2催化裂解后形成的產物自然冷卻至65℃以下，然后泄壓并去除惰性保護氣氛，得到具有卷曲狀多層碳納米壁結構的碳材料。

進一步的，在步驟A1中，所述碳源為含有C、H、O、N中兩種或兩種以上元素的一種或多種小分子有機物，所述小分子有機物含有N元素且分子結構具有環狀結構，包括但不限于雜環化合物、吡啶類、嘧啶類、含苯環與氮的絡合物、苯的衍物、酰胺衍生物。

進一步的，在步驟A1中，所述碳源和催化劑以固相或液相的形式置入反應器，或者將碳源和催化劑氣化，待反應器到達反應條件后，混合惰性氣體通入反應器裂解沉積。