一种多孔纳米石墨的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种多孔纳米石墨的制备方法，属于纳米碳材料研究领域。主要步骤为：以水溶性碳源为原料，添加辅助剂和铁盐按照合适的比例配成溶液后加热；溶液挥发、浓缩后发生反应，得到含碳的前驱体粉末，将前驱体于600～1300℃在一定气氛下反应0.5-5小时后，将反应产物采用酸洗后得到多孔纳米石墨。本发明操作简单，成本低，易于产业化生产，所得的产物石墨化程度高且具有多孔结构，可以广泛应用到锂离子电池、场发射材料及超级电容器等诸多领域。
【专利说明】一种多孔纳米石墨的制备方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于纳米碳材料研宄领域，具体涉及一种多孔纳米石墨的制备方法。
【背景技术】
[0002]纳米石墨由于具有优异的化学稳定性、耐腐蚀、良好的机械性能及场发射性能，在许多领域有着广泛的应用，例如锂离子电池、超级电容器，纳米传感器等。传统碳材料转化为石墨需要较高的石墨化温度(2500°C甚至3000°C )。近年，纳米石墨的制备与合成主要分为两大类:一类是将天然鳞片破碎的物理制备方法，主要包括机械球磨法，爆轰裂解法，超声破碎法及电化学插层法；另一类是化学合成法，主要有脉冲激光沉积法、爆轰合成法，化学气相沉积法等。这些方法中第一类方法所制备的纳米石墨粉较厚，直径相对较大，而第二类方法由于经过了碳原子的重新排列组合，三维尺度较小，在高级显像管，锂离子电池，超级电容器及纳米传感器等领域更具有优势。
[0003]2002年，陈岁元等采用脉冲激光沉积，将石墨靶材放入水中，通过脉冲YAG激光照射水中的石墨靶材，制备出纳米石墨粉，所制备出的纳米石墨呈现球形。2005年，姚惠生等采用爆轰合成法，利用TNT、RDX和石墨的混合物，采用浇注或压实的方法使混合物形成固体，利用水作为保护介质将该柱状药包覆起来后，爆轰制备出纳米石墨晶体和无定形碳的混合物。2006年，徐向菊等利用化学气相沉积法，利用甲烷作为纳米石墨的前躯体，以Fe (NO3) 3.9H20、Cr (NO3) 3.9H20和MgO的混合物作为催化剂，用氩气作为保护性气氛使甲烷在865°C时分解，之后冷却至室温，所得产物为纯度较高的棒状纳米石墨。2014年，于立岩等公开了一种制备纳米石墨的方法，该方法采用电阻直热式制备法，以铜为催化剂，钼舟为加热元件，通过碳源气体甲烷、乙炔、乙烯等热解出碳原子；碳原子在熔融铜表面进行吸附和扩散反应，制备得到纳米级石墨。以上方法制备纳米石墨对设备要求高，不易操作，原料较为昂贵，造成了生产成本较高，不适合大规模的工业化生产。
【发明内容】
[0004]本发明提供一种操作简单、低成本制备高质量多孔纳米石墨的制备方法。
[0005]本发明制备多孔纳米石墨的方法，其特征在于包括如下步骤:
[0006](I)将水溶性碳源、辅助剂和铁盐按照一定比例溶于溶液中，其中水溶性碳源、辅助剂和铁盐的比例按摩尔比计；
[0007](2)将(I)形成的溶液加热，使溶液挥发、浓缩后发生反应，得到含碳前驱体粉末；
[0008](3)将⑵得到的前驱体粉末于600-1300°C在一定气氛下反应0.5-5小时；
[0009](4)将(3)得到的粉末酸洗后，得到多孔纳米石墨。
[0010]其中步骤(I)中使用的水溶性碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、麦芽糖和可溶性淀粉中的一种；使用的辅助剂为硝酸铵、尿素、甘氨酸、赖氨酸、丙氨酸中的至少一种；使用的铁盐为水溶性铁盐硝酸铁盐、氯化铁盐、硫酸铁盐中的一种；碳源、辅助剂、铁盐的比例为(2-5):(1-8):1 ；
[0011]步骤(3)中所述的一定气氛包括氮气、氩气或真空气氛；
[0012]步骤中(4)所用酸洗溶液为硝酸或盐酸溶液。
[0013]步骤(4)得到的产物可通过采用水或酒精将酸性溶液洗去来提高产物纯度。
[0014]本发明生产的纳米石墨片具有多孔结构，石墨化程度高。
[0015]该方法具有以下优点:以水溶性碳源为原料，价格低廉，通过适当的处理在600?1300°C的温度范围内，获得结晶形态良好的纳米多孔石墨，与传统碳材料转化为石墨需要高于2500°C甚至3000°C的石墨化温度相比较，转化温度大大降低，显著降低了能耗和生产成本；另外，前驱体粉末制备工艺，简便、快捷，设备要求低；其次，所制备的纳米石墨片纯度较高且具有多孔结构，可用于锂离子电池、场发射材料及超级电容器等诸多领域。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明多孔纳米石墨的X射线衍射图。
[0017]图2为本发明多孔纳米石墨的透射电镜图。
【具体实施方式】
[0018]下面结合实施例对本发明作进一步的阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0019]实施例1:
[0020]称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.075摩尔、碳源0.075摩尔，将各种原料溶于蒸馏水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩后发生反应，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在700°C、氮气气氛的条件下反应4小时，然后再将粉末用盐酸和乙醇洗涤后烘干，得到多孔纳米石墨。
[0021]实施例2:
[0022]称取硝酸铁0.025摩尔、尿素0.025摩尔、碳源0.05摩尔，将各种原料溶于蒸馏水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩后发生反应，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在900°C、氩气气氛的条件下反应3小时，然后再将粉末用盐酸和水洗涤后烘干，得到多孔纳米石墨。
[0023]实施例3:
[0024]称取氯化铁0.025摩尔、硝酸铵0.075摩尔、甘氨酸0.075摩尔、碳源0.1摩尔，将各种原料溶于蒸馏水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩后发生反应，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在1000°C、真空气氛的条件下反应2小时，然后再将粉末用硝酸和乙醇洗涤后烘干，得到多孔纳米石墨。
[0025]实施例4:
[0026]称取硫酸铁0.025摩尔、硝酸铵0.05摩尔、甘氨酸0.075摩尔、碳源0.075摩尔，将各种原料溶于蒸馏水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩后发生反应，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在1200°C、氮气气氛的条件下反应2小时，然后再将粉末用硝酸和乙醇洗涤后烘干，得到多孔纳米石墨。
[0027]实施例5:
[0028]称取硝酸铁0.025摩尔、甘氨酸0.075摩尔、碳源0.125摩尔，将各种原料溶于蒸馏水中，配制成溶液，将溶液置于可控温电炉上进行加热。溶液在经历挥发、浓缩后发生反应，得到前驱体粉末，将前驱体粉末在1200°C、氩气气氛的条件下反应I小时，然后再将粉末用硝酸和乙醇洗涤后烘干，得到多孔纳米石墨。
【权利要求】
1.一种多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于包括如下步骤: a、将水溶性碳源、辅助剂和铁盐按照一定比例溶于溶液中，其中水溶性碳源、辅助剂和铁盐的比例按摩尔比计为(2-5): (1-8):1 ； b、将a形成的溶液加热，使溶液挥发、浓缩后发生反应，得到含碳前驱体粉末； c、将b得到的前驱体粉末于600-1300°C在一定气氛下反应0.5-5小时； d、将c得到的产物酸洗后，得到多孔纳米石墨。
2.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于a步骤中使用的水溶性碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、麦芽糖和可溶性淀粉中的一种。
3.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于a步骤中使用的辅助剂为硝酸铵、尿素、甘氨酸、赖氨酸、丙氨酸中的至少一种。
4.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于a步骤中使用的铁盐为水溶性铁盐硝酸铁盐、氯化铁盐、硫酸铁盐中的一种。
5.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于c步骤中的一定气氛包括氮气、氩气或真空气氛。
6.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于d步骤中酸洗所用酸洗溶液为硝酸或盐酸溶液。
7.根据权利要求1所述的多孔纳米石墨的制备方法，其特征在于将步骤d得到的产物采用水或酒精将酸性溶液洗去来提高产物纯度。
【文档编号】B82Y30/00GK104495825SQ201410784795
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】秦明礼, 曹知勤, 顾月茹, 曲选辉, 吴昊阳, 贾宝瑞 申请人:北京科技大学