CN101691214B - 一种碳网络超结构的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微纳米碳材料制备技术领域，具体涉及一种碳网络超结构的制备方法。具体步骤为：将蛋壳洗净，浸泡在盐酸溶液中，以除去碳酸钙外壳，得到有机薄膜；把处理后的鸡蛋膜洗净后，浸泡在碳酸氢钠溶液中20-30小时，同时添加吐温80，吐温80与NaHCO3的体积比为1∶10～1∶50；将鸡蛋膜取出自然条件下晾干后，放入石英舟内，然后在管式炉中灼烧，在N2保护下，烧结条件为：以1°/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2°/m的速度升温至500-550℃，保温3小时，自然冷却至室温后，取出石英管，得到黑色产物，即得所需产品。本发明工艺简单，整个制备过程操作简便，条件易控，而且产物后处理方便，因此易于大规模的生产。本发明所需原料易得，无需使用任何特殊的添加剂及催化剂等。因此本发明具有经济、成本廉价的特点。本发明在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。

Description

一种碳网络超结构的制备方法
技术领域
本发明属于微纳米碳材料制备技术领域，具体涉及一种碳网络超结构的制备方法。
背景技术
随着纳米材料科学的发展，有序纳米材料的制备与研究引起了人们的广泛关注。目前制备有序纳米材料的方法较多，其中模板法是比较常用的一种方法。现在一般利用的模板有高分子模板，云母模板，表面活性剂模板和氧化铝模板。近年来，利用形态各异、结构复杂的微生物体和植物体作为生物模板来控制合成微纳米、纳米材料引起了人们足够的兴趣。如，Shankar等利用天竺葵叶子来还原氯金酸盐制备到不同形貌的Au纳米材料。
在这些生物模板中，最引人注目的就是鸡蛋膜了。鸡蛋膜(俗称凤凰衣)是指蛋壳与蛋白间的纤维状薄膜，含蛋白质、脂质、糖、灰分及20种氨基酸。鸡蛋膜的特定组成和结构决定了蛋膜的特殊性能。人们利用鸡蛋膜作为模板合成微、纳米材料，取得了许多优秀的成果。北京大学的齐利民教授利用鸡蛋膜模板控制合成了大孔网状TiO2纳米管；我们课题组也利用鸡蛋膜控制合成了不同形貌的钨酸盐和CdS纳米空心球链。
鸡蛋膜作为模板法在制备纳米材料时有以下优点：合成方法简单，条件温和，合成所用的模板容易得到；鸡蛋膜的复杂结构可能会合成出各类新奇的微、纳米材料，甚至构建极其复杂的纳米超结构。目前的研究局限在利用鸡蛋膜的半透膜性能，没有对鸡蛋膜进行修饰。
碳泡沫(网络超结构)是一种新型的多孔轻质固态碳材料，自20世纪60年代，Walter Ford通过高温热解热固性树脂的方法制备了碳泡沫以来，碳泡沫的良好的开孔结构、较低的热导系数、良好的机械强度、耐热和优良的电子传导能力等物理化学性质，这些性能使得碳泡沫在航空航天、燃料电池、结构材料、催化环保和微电子工业及IT产业等方面呈现出了广阔的应用前景，引起了众多物理学、化学以及材料学领域研究者的广泛关注和高度重视，成为国际新材料领域的研究前沿和热点。
目前，关于碳泡沫的特性和制备方法的研究已取得很大的进展，碳泡沫作为新型多孔材料中最具潜力的材料之一，其制备方法的研究得到广泛关注。碳泡沫的制备方法主要有热分解法、溶胶-凝胶法、发泡法、模板法以及高频脉冲法等。其中模板法由于具有反应过程易于控制、适用性强、制备方法简便、产品纯度高等优点，而被广泛应用于制备碳超结构材料。
碳泡沫因其具有良好的热、电、化学和机械性能等特性，已成为全世界的研究热点，在热控材料、纳米电子器件、电极材料、安全防护、复合增强材料及催化剂的支撑材料等众多领域取得了广泛应用。随着碳网络结构合成技术的日益成熟，低成本大量合成碳泡沫已经成为可能。但是，目前各国对碳泡沫的研究方兴未艾。
发明内容
本发明的目的在于提出一种操作简便、条件易控、经济的可用于大规模生产的碳网络超结构的制备方法。
本发明提出的碳网络超结构的制备方法，具体步骤如下：
(1)将蛋壳洗净，浸泡在盐酸溶液中，以除去碳酸钙外壳，得到有机薄膜；
(2)把步骤(1)得到的处理后的鸡蛋膜洗净后，浸泡在碳酸氢钠溶液中20-30小时，同时添加吐温80，吐温80与NaHCO3的体积比为1∶10～1∶50；
(3)将鸡蛋膜取出自然条件下晾干后，放入石英舟内，然后在管式炉中灼烧，在N2保护下，烧结条件为：以1°/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2°/m的速度升温至500-550℃，保温3h，自然冷却至室温后，取出石英管，得到黑色产物，即得所需产品。
本发明中，所述经处理后的碳化鸡蛋膜增大的比表面积，所用碳酸氢钠、盐酸为分析纯。
本发明中，步骤(2)中蛋膜中的碳酸氢钠是起泡剂，在烧结过程的可以产生气体流，制备孔状的碳网络，吐温80是匀泡剂，可以制备有序的孔状碳网络超结构。
利用本发明方法所得产物碳网络超结构的结构、形貌和性质可以分别采用X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、热重差动热分析(TG-DSC)等手段进行表征。
本发明优点在于：
1、本发明提出了一种制备有序碳网络超结构的方法，探索了不同实验条件对所得产物结构和性质的影响，为工业化生产提供了实验依据。
2、本发明工艺简单，整个制备过程操作简便，条件易控，而且产物后处理方便，因此易于大规模的生产。
3、本发明所需原料易得，无需使用任何特殊的添加剂及催化剂等。因此本发明具有经济、成本廉价的特点。
4、本发明在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。
本发明工艺简单，整个制备过程操作简便，条件易控，而且产物后处理方便，因此易于大规模的生产。本发明所需原料易得，无需使用任何特殊的添加剂及催化剂等。因此本发明具有经济、成本廉价的特点。本发明在制备时不产生对环境有污染的副产物，符合可持续发展要求，是一种环保型合成工艺。
附图说明
图1(a)、(b)为步骤1中的所得产物的XRD，SEM图。
图2(a)、(b)为实施例1中的所得产物的XRD，SEM图。
图3为实施例3中的所得产物的SEM图。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例1：
(1)配置0.1M的盐酸溶液，0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的蛋膜洗净后，常温下，浸泡到碳酸氢钠溶液中24h。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2气氛保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至500℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图2(a)、(b)为此反应条件所得的碳网络超结构。从图中可以看出，制得的碳网络微结构较差。这是因为当加热到一定程度时，碳酸氢钠分解的气体会分散逸出，气泡的自由穿透导致碳网络的孔结构较差。
实施例2：
(1)配置0.1M的盐酸溶液，0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的蛋膜洗净后，常温下，浸泡到碳酸氢钠溶液中24h。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至550℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构、晶型和形貌进行表征。
实施例3：
(1)配置0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的鸡蛋膜洗净后，常温下，浸泡在0.5M的碳酸氢钠溶液中24h，同时添加吐温80(与碳酸氢钠的体积比为1∶20)。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至500℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征，图3为此反应条件所得的碳网络超结构。
从图3中可以看出，体系中加入适量的吐温80后，可以有效地改善碳网络的孔结构。实验发现，吐温80起着匀泡剂的作用，可以让发泡剂均匀分散于体系中，使得生成的碳网络孔洞较为均匀。
实施例4：
(1)配置0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的鸡蛋膜洗净后，浸泡在0.5M的碳酸氢钠溶液中30h(添加吐温80∶NaHCO3＝1∶10～1∶50)。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至500℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征。
实施例5：
(1)配置0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的鸡蛋膜洗净后，浸泡在0.5M的碳酸氢钠溶液中24h(添加吐温80∶NaHCO3＝1∶10～1∶50)。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至550℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征。
实施例6：
(1)配置0.5M的碳酸氢钠溶液。
(2)把步骤(1)得到的鸡蛋膜洗净后，浸泡在0.5M的碳酸氢钠溶液中30h(添加吐温80∶NaHCO3＝1∶10～1∶50)。
(3)将蛋膜取出自然晾干后，放入石英舟内在管式炉中灼烧。在N2保护下，条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至550℃，保温3h。
将步骤(3)中所得产物分别用SEM、XRD对其结构和晶型进行表征。

Claims (2)

1.一种碳网络超结构的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)将蛋壳洗净，浸泡在盐酸溶液中，以除去碳酸钙外壳，得到鸡蛋膜；
(2)把步骤(1)得到的处理后的鸡蛋膜洗净后，浸泡在碳酸氢钠溶液中20-30小时，同时添加吐温80，吐温80与NaHCO3的体积比为1∶10～1∶50；
(3)将鸡蛋膜取出自然条件下晾干后，放入石英舟内，然后在管式炉中灼烧，在N2保护下，烧结条件为：以1℃/m的速度升温至100℃，保温0.5小时，然后以2℃/m的速度升温至500-550℃，保温3h，自然冷却至室温后，取出石英管，得到黑色产物，即得所需产品。
2.根据权利要求1所述的碳网络超结构的制备方法，其特征在于所用碳酸氢钠、盐酸为分析纯。
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