[發明專利]單原子層壁厚的空泡碳材料及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010184395.0
• 申請日: 2020-03-17
• 公開（公告）號: CN111232951B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 陳鐵紅;徐雪艷;孫平川
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J21/18;B01J23/52;B01J35/10;B01J32/00;H01M4/587;H01M10/0525
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 趙尊生

本發明涉及一種單原子層壁厚的空泡碳材料及其制備方法和應用。以磷酸氫二銨和三聚氰胺或雙氰胺為原料，混合研磨后，在惰性氛圍下經一步高溫熱解直接得到單原子層厚度的空泡碳材料。本發明工藝簡單、原料便宜、易于實施；制備的碳材料為單原子層厚的中空碳泡結構，空泡孔徑分布為2?6 nm，孔壁壁厚為0.4 nm，具有高的比表面積（1520?2570 m² g^?1）和較大的孔體積（1.82?2.89 cm³ g^?1）。作為催化劑載體應用于甲酸分解制氫反應中，表現出很高的催化性能；作為鋰離子電池負極材料，表現出優良電化學性能，在高電流密度下依然具有很高的放電容量且循環性能良好。在摻雜型多孔碳材料制備及催化和電化學儲能領域具有重要價值和意義。

技術領域

本發明涉及一種單原子層壁厚的空泡碳材料及其制備方法和應用，具體為一種超高比表面積的單原子層壁厚的空泡碳材料，可直接熱解法制備。該單原子層壁厚的空泡碳材料可應用于儲能、催化、分離、光學器件等諸多領域。

背景技術

空泡結構的碳材料是一種同時具備高比表面積、易于摻雜、內外表面可用等優點的新型碳基納米材料。這種獨特的空心納米結構賦予這類碳材料一系列獨特的物理化學性質，有望應用于儲能、催化、分離、光學器件等諸多領域。

空泡結構碳材料的制備方法有很多，如模板導向法、化學氣相沉積法、電弧放電法等。例如：高濂等人報道一種以二氧化硅空心球為模板熱解有機碳源的方法制備多層碳空心球材料，并應用于鋰離子電池負極材料顯示出優異的電化學性能（高濂，孫壯，宋雪峰，張鵬.一種多層碳空心球負極材料的制備方法，中國專利CN104319402 A）。胡征課題組報道了一種以苯為碳源，以氧化鎂為模板，CVD法制備了大量空心碳納米籠，700 ℃下所得納米籠比表面積達1854 m²g^-1，孔分布區間為5-8 nm，壁厚3 nm，作為超級電容器的電極材料時表現出很好的電容性能（K. Xie, X. T. Qin, X. Z. Wang, Y. N. Wang, H. S. Tao, Q.Wu, L. J. Yang and Z. Hu, Adv. Mater., 2012, 24, 347），同時通過采用其他雜原子的碳源，得到不同摻雜的碳納米籠。直接熱解法制備碳材料是一種簡單方便的合成方法，可以合成很多不同形貌的碳材料，陳鐵紅等利用三聚氰胺和鄰菲羅啉鐵混合物作為前驅體，在惰性氣氛下高溫碳化處理，酸洗去除鐵的化合物，制備了碳包覆碳化鐵納米顆粒的多孔碳納米片層，該制備方法工藝簡單，易于實施（陳鐵紅，劉優林.一種氮摻雜多孔碳納米片復合材料的制備方法和應用，CN104269566 A）。

CN109592683A也公開了一種超小碳化釩嵌入碳原子層材料及其制備方法，其中，碳原子層包覆的碳化釩，碳化釩粒徑小于3nm，晶化的碳原子層為5-10層。

由此可見，上述碳材料都是由多原子層結構碳材料組成的，而并非單原子層碳材料。到目前為止，通過直接熱解法制備單原子層壁厚的空泡碳材料未見報道。

發明內容

本發明的目的是提供一種單原子層壁厚的空泡碳材料及其制備方法和應用，可以解決現有技術中存在的問題。本發明單原子層壁厚的空泡碳材料的制備方法成本低、工藝簡單、穩定性好，具有潛在的廣泛應用價值，特別是在電化學儲能及催化等領域。

本發明提供的單原子層壁厚的空泡碳材料為單原子層的中空碳泡結構，空泡孔徑分布為2-6 nm，空泡壁厚約0.3-0.6 nm，比表面積為1520-2570 m² g^-1，孔體積1.82-2.89cm³ g^-1。制備步驟為：磷酸銨鹽與三聚氰胺、雙氰胺或氰胺均勻混合，置于管式爐中，在惰性氣氛中高溫進行碳化反應1-6 h，然后惰性氣氛中自然冷卻至室溫，得到單原子層空泡碳材料。

本發明提供的單原子層壁厚的空泡碳材料的制備方法具體包括如下步驟：