一种炭纳米片及其制备方法和应用

本发明属于炭纳米材料，具体涉及一种炭纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、炭纳米片具有独特的纳米片结构、高的比表面积和易裸露的高活性表层原子，在超级电容器、电催化、锂/钠离子电池等储能领域有广泛的应用前景。然而，sp2杂化为主的二维碳材料如石墨烯，在分子平面内存在强的π-π相互作用力，导致炭纳米片发生团聚，进而使得电解液离子在碳基体内扩散阻力加大、活性位点无法有效暴露。炭基纳米片的结构与表面设计是提升其电化学性能的关键。

2、现有的炭基纳米片较多，如以氧化石墨烯为模板，通过在石墨烯表面生长聚合物，获得具有二维结构的聚吡咯包覆石墨烯材料，高温炭化获得的氮掺杂炭纳米片；或将甲壳素加入碱/尿素水溶液中形成悬浮液后，反复冷冻/解冻至悬浮液变成透明溶液，干燥后得到甲壳素复合物，在惰性气体中预炭化、炭化、酸洗得到的三维连通的超高比表面积炭纳米片，等等。但这些炭基纳米片的前驱体集中在分子量较高的碳源，在高温炭化过程中很难抑制其分子之间的二次交联，炭纳米片的厚度很难实现精确调控。此外，这些方法涉及的合成步骤繁琐，难以实现稳定性批量化生产。

3、因此，亟需提供一种炭纳米片制备方法，其合成步骤简单，且能精确调控炭纳米片厚度。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种炭纳米片及其制备方法和应用。本发明提供的炭纳米片的制备方法，其合成步骤简单，且能精确调控炭纳米片厚度；制备的炭纳米片能够广泛应用于超级电容器、电催化、锂/钠离子电池等储能领域。

2、本发明第一方面提供了一种炭纳米片的制备方法。

3、具体地，一种炭纳米片的制备方法，包括以下步骤：

4、将碳源小分子与碱式碳酸盐研磨混合；然后进行炭化，得炭@金属氧化物混合物；再向所述炭@金属氧化物混合物中加入酸进行处理，最后经水洗、干燥，制得炭纳米片。

5、本发明制备的纳米材料里可掺杂非碳原子，但并非完全由碳六元环组成，是由碳源小分子高温裂解、模板表面原位沉积自组装成的炭纳米片。

6、优选地，所述碳源小分子包括柠檬酸、柠檬酸钾、柠檬酸钠、对甲苯磺酸、对甲苯磺酸钠、对甲苯磺酸钾、植酸、植酸二钾盐、植酸钠盐中的至少一种。

7、优选地，所述碱式碳酸盐包括碱式碳酸锌、碱式碳酸镍、碱式碳酸镁中的至少一种。

8、优选地，所述碳源小分子与所述碱式碳酸盐的质量比为1：0.5～15；进一步优选地，所述碳源小分子与所述碱式碳酸盐的质量比为1：1～12；更优选地，所述碳源小分子与所述碱式碳酸盐的质量比为1：5～12。

9、优选地，所述研磨混合的时间为15～60min，所述研磨混合的转速为50～300rpm。

10、优选地，所述炭化的过程为：于保护气氛下，以2～10℃/min的升温速率升温至炭化温度600～1300℃，然后保温30～180min。进一步优选地，所述炭化的过程为：于保护气氛下，以5～10℃/min的升温速率升温至炭化温度1000～1200℃，然后保温60～180min。

11、优选地，所述保护气氛为氮气和/或者氩气。

12、优选地，所述酸为盐酸，所述盐酸的浓度为0.5～3mol/l。

13、优选地，所述盐酸的添加量与所述碱式碳酸盐的摩尔比不低于2。通过控制所述盐酸的添加量与所述碱式碳酸盐的摩尔比不低于2，能够确保盐酸过量，金属离子可以完全被洗去。

14、优选地，所述加入酸进行处理的过程为加入酸后，磁力搅拌6～12h。

15、优选地，所述干燥的温度为80～120℃。

16、更为具体地，一种炭纳米片的制备方法，包括以下步骤：

17、将碳源小分子与碱式碳酸盐按照不同质量比，放置在玛瑙球磨罐中，研磨至完全混合均匀，得球磨混合物；然后将所述球磨混合物铺在氧化铝坩埚内，于管式炉保护气氛下炭化，得到炭@金属氧化物混合物；再滴加过量稀盐酸到所述炭@金属氧化物混合物中，进行磁力搅拌；最后水洗至完全中性，经干燥，制得炭纳米片。

18、本发明还提供一种炭纳米片。

19、具体地，一种炭纳米片，由上述制备方法制得，所述炭纳米片的厚度为2～20nm，比表面积为500～2500m2g-1、孔尺寸为0.7～50nm。

20、本发明还提供了上述炭纳米片的应用。

21、具体地，上述炭纳米片在制备超级电容器、电催化材料或锂/钠离子电池中的应用。

22、相对于现有技术，本发明的有益效果如下：

23、(1)本发明以碳源小分子为原料，以碱式碳酸盐为硬模板，经过高温裂解、表面原位沉积富碳小分子构筑炭纳米片。通过控制碳源小分子与碱式碳酸盐模板的质量，以及碳化温度，能够制得不同微观结构和表面化学的炭纳米片，炭纳米片的厚度为2～20nm，比表面积为500～2500m2g-1，孔尺寸为0.7～50nm；尤其是能制得厚度小、比表面积大，且孔洞丰富的炭纳米片。相较于石墨烯或者少层碳原子形成的碳材料，该厚度(2～20nm)的炭纳米片能够在一定程度上避免碳原子六元环内强π-π键引起的堆叠，而纳米片片层内富含微-中孔道更有利于离子快速存储和扩散，适合应用于制备超级电容器、电催化材料，以及锂/钠离子电池等储能器件电极材料。

24、(2)本发明将碳源小分子与碱式碳酸盐模板研磨混合均匀，然后进行高温煅烧，再采用稀盐酸将炭@金属氧化物混合物中的金属氧化物模板刻蚀除去，制得不同微观结构和表面化学的炭纳米片。本发明提供的制备方法，其合成过程简单，炭纳米片的厚度、比表面积、孔尺寸可在2～20nm、500～2500m2g-1、0.7～50nm区间调控。此外碳源小分子内含有的n、o、s、p等杂原子可以原位嵌入到碳多元环内，进一步优化炭纳米片的性能。

技术特征：

1.一种炭纳米片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源小分子包括柠檬酸、柠檬酸钾、柠檬酸钠、对甲苯磺酸、对甲苯磺酸钠、对甲苯磺酸钾、植酸、植酸二钾盐、植酸钠盐中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碱式碳酸盐包括碱式碳酸锌、碱式碳酸镍、碱式碳酸镁中的至少一种。

4.根据权利要求2或3所述的制备方法，其特征在于，所述碳源小分子与所述碱式碳酸盐的质量比为1：0.5～15；优选地，所述碳源小分子与所述碱式碳酸盐的质量比为1：1～10。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述炭化的过程为：于保护气氛下，以2～10℃/min的升温速率升温至炭化温度600～1200℃，然后保温30～180min。

6.根据权利要求1～3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述酸为盐酸，所述盐酸的浓度为0.5～3mol/l。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述盐酸的添加量与所述碱式碳酸盐的摩尔比不低于2。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.一种炭纳米片，其特征在于，由权利要求1～8中任一项所述的制备方法制得，所述炭纳米片的厚度为2～20nm，比表面积为500～2500m2g-1，孔尺寸为0.7～50nm。

10.权利要求9所述的炭纳米片在制备超级电容器、电催化材料或锂/钠离子电池中的应用。

技术总结
本发明属于炭纳米材料技术领域，公开了一种炭纳米片及其制备方法和应用。该制备方法，包括以下步骤：将碳源小分子与碱式碳酸盐研磨混合；然后经炭化、酸理，制得炭纳米片。本发明以碳源小分子为原料，以碱式碳酸盐为硬模板，经过高温裂解、表面原位沉积富碳小分子构筑炭纳米片。通过控制碳源小分子与碱式碳酸盐模板的质量，以及碳化温度，能够制得不同微观结构和表面化学的炭纳米片。本发明提供的炭纳米片能够避免碳原子六元环内强π‑π键引起的堆叠，而纳米片片层内富含微‑中孔道更有利于离子快速存储和扩散，适用于制备超级电容器、电催化材料，以及锂/钠离子电池等储能器件电极材料。

技术研发人员：张东东,张镱骅,卢国
受保护的技术使用者：东莞理工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15