一种薄层碳的制备方法及其用途与流程

本发明属于碳材料的制备及应用领域，具体涉及一种实现薄层碳的制备及其用途。

背景技术：

碳元素是与人类生产生活活动最密切相关的元素之一，其多样电子轨道特性使其具有丰富的成键杂化形式，使得其成为唯一的可以完成以单一元素构建从零维富勒烯到一维碳纳米管到二维石墨烯再到三维金刚石及各种多孔碳材料的元素。现如今在合成碳材料的过程中，碳的厚度很难控制，因为成碳反应一经发生，就很难终止，所以碳材料厚度的控制变成了很大的难题。我们发现通过脱除卤素的方式制备碳材料，可以得到薄层碳，这是由于水滑石(复合双金属氢氧化物)或氢氧化物或氧化物是碱性物质，可以作为脱卤剂促进聚偏二氯乙烯的脱氯反应，同时合成的水滑石或氢氧化物或氧化物是六方片状结构，可以作为模板剂，聚偏二氯乙烯在其表面均匀包覆，并最终由于和脱卤剂分隔得到与模板厚度接近的薄层碳材料。通过焙烧，洗涤等步骤，除去水滑石或氢氧化物或氧化物，即得到表面积大，孔道丰富，杂原子掺杂的薄层碳材料，具有很好的电催化性能。

技术实现要素：

本发明得到的薄层碳材料的制备是通过球磨法，通过聚偏二氯乙烯对于片状水滑石/氢氧化物/氧化物的包敷，在惰性气体保护下于管式炉中以5-10℃/min的升温速率升至600-800℃煅烧1-2h；制备的具有大比表面积、孔径分布均匀的薄层碳材料，将该薄层碳材料制备成电极，在锌空气电池中进行测试。

一种薄层碳，其特征在于，是一种氮均匀掺杂的、具有透明度的、多孔无定型碳薄膜。

本发明提供一种薄层碳的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备模板，采用硝酸钴、硝酸铝、硝酸锌、硝酸镁中的一种或几种和尿素混合，采用水热法制备水滑石模板或氢氧化物模板或氧化物模板；优选钴铝水滑石模板。

(2)将步骤(1)制备的模板与偏聚二氯乙烯、三聚氰胺混合，氮，氮二甲基甲酰胺为溶剂球磨；优选模板与偏聚二氯乙烯的质量比为1:2-2:1，进一步优选为1:1；模板与三聚氰胺的质量比为1：(0.1-1.5)，优选为1:0.5；

(3)对步骤(2)得到的前驱体在惰性气体保护下高温煅烧，洗涤后即可得到薄层碳；

优选的，所选用的惰性气体为氩气。

在惰性气体保护下于管式炉中以5-10℃/min的升温速率升至600-800℃煅烧1-2h。

本发明第三方面提供所述的薄层碳用于电极催化氧气还原反应的用途，以及在锌空气电池方面的用途。

对于本发明的产物进行表征:扫描电镜照片(附图1)显示，所合成的钴铝水滑石形貌为六方片型，比较薄，(附图2)显示为合成后的薄层碳，从形貌中可以看出该材料在薄厚程度上接近于透明化(如蝉翼式的透明材料)。(附图3)显示在透射电镜下该碳材料的形貌为多孔，且孔的形状接近于水滑石，从另一方面说明水滑石可以作为合成多孔碳的模板。xrd谱图(附图4)显示其在25°处有明显的衍射峰，说明该材料为无定型碳材料。拉曼图谱(附图5)显示所合成的碳材料为高度石墨化。x光电子能谱中(附图6)显示其含碳量高达84.0at.％，剩余的元素含量几乎被氧元素和氮元素所占据。

通过使用所合成的薄层碳材料制备的电极催化氧气还原反应的测试，表明其具有非常高的活性(附图7，附图8)。将该材料制备成电极在锌空气电池装置中测试具有很好的性能(附图9)。

本发明的有益效果

1、本发明的制备方法原材料成本低廉、来源广泛，可以很好的控制碳材料的厚度，反应操作简单、安全性高、后处理易行，极易适用工业扩大生产。

2、本发明具有薄层碳材料在氧气还原反应的催化中具有非常优秀的性能，同时在锌空气电池中测试也具有非常优异的性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的具有六方结构的薄层钴铝水滑石扫描电镜图。

图2为本发明实施例1的具有薄层碳材料的扫描电镜图。

图3为本发明实施例1的具有薄层碳材料的透射电镜图。

图4为本发明实施例1的具有薄层碳材料的xrd谱图。

图5为本发明实施例1的具有薄层碳材料的raman谱图。

图6为本发明实施例1的具有薄层碳材料的xps元素图。

图7为本发明实施例1的具有薄层碳材料的催化氧气还原反应的循环伏安图。

图8为本发明实施例1的具有薄层碳材料的催化氧气还原反应的线性伏安图。

图9为本发明实施例1的具有薄层碳材料的锌空气电池充放电性能图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

实施例1

1.将0.58g六水合硝酸钴，0.27g六水合硝酸铝，0.5g尿素，溶解于去离子水中，在120°下水热反应12小时，水洗后得到钴铝水滑石。

2.取1.0g钴铝水滑石，1.0g偏聚二氯乙烯，0.5g三聚氰胺，混合在氮氮二甲基甲酰胺，球磨反应4个小时。

3.干燥所得的前驱物，在惰性气体保护下，升温至600℃，升温速率选取10℃每分钟，保温1小时。待降至室温，取出焙烧样品，即得薄层碳材料。

所得的具有薄层碳材料作为催化氧气还原反应的电极材料使用，进行催化氧气还原反应的测试，具有非常高的活性。在锌空气电池中具有很好的性能。

实施例2

除参加反应的物质的使用量：将六水合硝酸铝除去，其他与实施例1同。

实施例3

除参加反应的物质的使用量：将六水合硝酸钴换为六水合硝酸镁，其他与实施例1同。

实施例4

除参加反应的物质的使用量：将六水合硝酸铝换为六水合硝酸锌，其他与实施例1同。

技术特征：

技术总结
一种实现薄层碳的制备方法及其用途，属于碳材料的制备及应用领域。是一种氮均匀掺杂的、具有透明度的、多孔无定型碳薄膜；薄层碳材料是将六水合硝酸金属盐和尿素混合在水热条件下合成六方片状水滑石或氢氧化物或氧化物，水洗后与偏聚二氯乙烯、三聚氰胺在有机溶剂下球磨反应，干燥后得到前驱体，在惰性气体保护中于管式炉中以5‑10℃/min的升温速率升至600‑800℃煅烧1‑2h；制备的具有大比表面积、孔径分布均匀的薄层碳材料，将该薄层碳材料制备成电极，在锌空气电池中进行测试。

技术研发人员：常铮;李昊远;孙晓明;张国新;张聪
受保护的技术使用者：北京化工大学
技术研发日：2017.05.18
技术公布日：2017.11.03