CN108529596B - 一种二维薄层碳的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维薄层碳的制备方法，包括：S1)将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；S2)将所述混合溶液蒸发结晶后，在惰性气氛中煅烧，得到二维薄层碳。与现有技术相比，本发明基于生物仿生原理，利用无机盐在缓慢蒸发过程中发生自组装，形成有序的层结构，使碳前驱体均匀分布在层与层之间的间隙或无机盐层的表面，经过煅烧碳化后得到二维薄层碳，制备条件简单、成本较低且环境友好。

Description

一种二维薄层碳的制备方法
技术领域
本发明属于碳材料技术领域，尤其涉及一种二维薄层碳的制备方法。
背景技术
碳材料具有良好的物理化学稳定性、导电性等优点，广泛的应用于能源、催化、生物医疗等领域。而随着对碳材料研究的不断深入，尤其是石墨烯的发现，二维碳纳米材料逐渐引起了人们的关注。二维碳纳米材料是指只有一维处于纳米尺寸范围，呈现片层结构的碳材料。二维碳纳米材料具有大的比表面积、稳定的物理化学性能和非常强的机械性能等优点，可在催化、能源、通讯、电子元器件等方面得到广泛的应用。而典型的二维片层碳纳米材料包括石墨烯、碳纳米片等。
石墨烯是指由一层以苯环结构(即六角形蜂巢结构)周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。它是已知世界上最薄、最坚硬的纳米材料，同时还具有极强的导电性，超常的强度和极好的透光性等，其十分优异的性能也使得它在许多的领域都具有应用前景。目前石墨烯的制备方法主要有：机械剥离法、化学剥离、化学气相沉积法等。
碳纳米片一般是指由多层或者几十层石墨烯层构成的，其制备方法主要是以化学气相沉积技术为基础，包括：热丝化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积、射频等离子体化学气相沉积等。这些方法都需要较高的实验设备，制备工序繁琐，还可能会涉及到危险气体的使用，因而生产成本增加了，同时还会带来一些不必要的环境污染。
现有技术制备二维薄层碳的方法虽然很多，但这些制备方法都有其不足之处，有些制备反应温度较高，有些制备成本较高且工艺复杂，有些制备工艺对环境污染较严重。因此，寻找一种简单的环境友好的制备二维薄层碳的方法是很有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种工艺简单且环境友好的二维薄层碳的制备方法。
本发明提供了一种二维薄层碳的制备方法，包括：
S1)将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；
S2)将所述混合溶液蒸发结晶后，在惰性气氛中煅烧，得到二维薄层碳。
优选的，所述无机盐、碳前驱体与水的质量比(1～8)：(0.1～3)：(10～80)。
优选的，所述无机盐选自硫酸钾、硫酸钠、硫酸锂、硫酸铵、氯化钠、氯化钾与氯化铵中的一种或多种。
优选的，所述碳前驱体选自聚丙烯酸、聚氧乙烯、聚羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、葡萄糖、蔗糖与甲硫氨酸中的一种或多种。
优选的，所述步骤S1)中碳前驱体以碳前驱体溶液的形式与无机盐及水混合；所述碳前驱体溶液中碳前驱体的浓度为10～50wt％。
优选的，所述步骤S2)中蒸发结晶的温度为10℃～80℃；湿度为40％～80％。
优选的，所述步骤S2)中煅烧的升温速率为1～15℃/min。
优选的，所述煅烧的温度为500℃～1000℃；所述煅烧的时间为1～5h。
优选的，煅烧后，水洗，过滤，真空干燥后，得到二维薄层碳。
优选的，所述二维薄层碳的厚度为2～25nm。
本发明提供了一种二维薄层碳的制备方法，包括：S1)将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；S2)将所述混合溶液蒸发结晶后，在惰性气氛中煅烧，得到二维薄层碳。与现有技术相比，本发明基于生物仿生原理，利用无机盐在缓慢蒸发过程中发生自组装，形成有序的层结构，使碳前驱体均匀分布在层与层之间的间隙或无机盐层的表面，经过煅烧碳化后得到二维薄层碳，制备条件简单、成本较低且环境友好。
附图说明
图1为本发明实施例1中得到的二维薄层碳的低倍扫描电镜图；
图2为本发明实施例1中得到的二维薄层碳的高倍扫描电镜图；
图3为本发明实施例1中得到的二维薄层碳的透射电镜图；
图4为本发明实施例3中得到的二维薄层碳的低倍扫描电镜图；
图5为本发明实施例3中得到的二维薄层碳的高倍扫描电镜图；
图6为本发明实施例3中得到的二维薄层碳的透射电镜图；
图7为本发明实施例4中得到的二维薄层碳的扫描电镜图；
图8为本发明实施例4中得到的二维薄层碳的透射电镜图；
图9为本发明实施例5中得到的二维薄层碳的扫描电镜图；
图10为本发明实施例5中得到的二维薄层碳的透射电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种二维薄层碳的制备方法，包括：S1)将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；S2)将所述混合溶液蒸发结晶后，在惰性气氛中煅烧，得到二维薄层碳。
本发明对所有原料的来源并没有特殊的限制，为市售即可。
其中，所述无机盐为本领域技术人员熟知的无机盐即可，并无特殊的限制，本发明中优选为碱金属无机盐和/或无机铵盐，更优选为硫酸钾、硫酸钠、硫酸锂、硫酸铵、氯化钠、氯化钾与氯化铵中的一种或多种，再优选为硫酸钾和/或氯化钾。
所述碳前驱体为本领域技术人员熟知的有机碳前驱体即可，并无特殊的限制，本发明中优选为聚丙烯酸、聚氧乙烯、聚羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、葡萄糖、蔗糖与甲硫氨酸中的一种或多种。
为了减少杂质的引入，所述水优选为去离子水。
将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；所述无机盐、碳前驱体与水的质量比优选为(1～8)：(0.1～3)：(10～80)，更优选为(1～6)：(0.1～2)：(10～80)，再优选为(1～6)：(0.1～1)：(10～80)，最优选为(3～4)：(0.3～0.8)：(50～60)；在本发明中，优选先将无机盐与水混合搅拌；所述搅拌的时间优选为20～30min；然后再加入碳前驱体混合；所述碳前驱体优选以碳前驱体溶液的形式加入；所述碳前驱体溶液中碳前驱体的浓度优选为10～50wt％，更优选为10～40wt％，再优选为20～30wt％，最优选为20～25wt％；所述混合的时间优选为10～20h，更优选为12～18h，再优选为12～16h，形成一个澄清的混合溶液。
将所述混合溶液蒸发结晶；所述蒸发结晶优选在恒温恒湿箱中进行；所述蒸发结晶的温度优选为10℃～80℃，更优选为20℃～60℃，再优选为20℃～40℃，最优选为25℃～40℃；所述蒸发结晶的湿度优选为40％～80％，更优选为50％～70％，再优选为50％～60％；所述蒸发结晶时混合溶液的厚度优选为0.5～5cm，更优选为0.5～4cm，再优选为0.5～3cm，最优选为1～2cm。
蒸发结晶至全部析出后，在惰性气氛中煅烧；所述惰性气氛为本领域技术人员熟知的惰性气氛即可，并无特殊的限制，本发明中优选为氩气、氮气、氖气与氦气中的一种或多种；所述煅烧的升温速率优选为1～15℃/min，更优选为2～10℃/min，再优选为2～8℃/min，最优选为2～5℃/min；所述煅烧的温度优选为500℃～1000℃，更优选为600℃～900℃，再优选为700℃～800℃；所述煅烧的时间优选为1～5h，更优选为2～4h，再优选为2～3h。煅烧的过程中碳前驱体碳化分解成碳后，还会和无机盐发生反应而消耗部分的碳。
煅烧后，优选水洗，除去剩余的无机盐，过滤，真空干燥后，得到二维薄层碳。所述二维薄层碳的厚度优选为2～25nm，更优选为2～15nm，再优选为2～10nm。
本发明基于生物仿生原理，利用无机盐在缓慢蒸发过程中发生自组装，形成有序的层结构，使碳前驱体均匀分布在层与层之间的间隙或无机盐层的表面，经过煅烧碳化后得到二维薄层碳，制备条件简单、成本较低且环境友好。
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的一种二维薄层碳的制备方法进行详细描述。
以下实施例中所用的试剂均为市售。
实施例1
1.1将4g硫酸钾溶解于40ml去离子水中，搅拌30min，再滴加2ml配制好的25wt％聚丙烯酸溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
1.2将步骤1.1得到的混合的澄清溶液放于温度为25℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
1.3将步骤1.2中结晶物置于700℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得了二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为2～10nm。
利用低倍扫描电镜对实施例1中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的低倍扫描电镜图，如图1所示。
利用高倍扫描电镜对实施例1中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的高倍扫描电镜图，如图2所示。
利用透射电镜对实施例1中得到的二维薄层碳进行分析，得到其透射电镜图，如图3所示。
实施例2
2.1将4g硫酸钾溶解于40ml去离子水中，搅拌30min，再滴加2ml配制好的25wt％聚丙烯酸溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
2.2将步骤2.1得到的混合的澄清溶液放于温度为40℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
2.3将步骤2.2中结晶物置于700℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得了二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为5～20nm。
实施例3
3.1将4g硫酸钾溶解于40ml去离子水中，搅拌30min，再滴加2ml配制好的20wt％聚氧乙烯溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
3.2将步骤3.1得到的混合的澄清溶液放于温度为25℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
3.3将步骤3.2中结晶物置于700℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得了二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为2～15nm。
利用低倍扫描电镜对实施例3中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的低倍扫描电镜图，如图4所示。
利用高倍扫描电镜对实施例3中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的高倍扫描电镜图，如图5所示。
利用透射电镜对实施例3中得到的二维薄层碳进行分析，得到其透射电镜图，如图6所示。
实施例4
4.1将4g硫酸钾溶解于80ml去离子水中，搅拌30min，再滴加2ml配制好的25wt％聚氧乙烯溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
4.2将步骤4.1得到的混合的澄清溶液放于温度为25℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
4.3将步骤4.2中结晶物置于700℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得了二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为5～25nm。
利用扫描电镜对实施例4中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的扫描电镜图，如图7所示。
利用透射电镜对实施例4中得到的二维薄层碳进行分析，得到其透射电镜图，如图8所示。
实施例5
5.1将4g硫酸钾溶解于80ml去离子水中，搅拌30min，再滴加2ml配制好的20wt％聚羧甲基纤维素钠溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
5.2将步骤5.1得到的混合的澄清溶液放于温度为25℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
5.3将步骤5.2中结晶物置于850℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得了二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为5～10nm。
利用扫描电镜对实施例5中得到的二维薄层碳进行分析，得到其二维薄层碳的扫描电镜图，如图9所示。
利用透射电镜对实施例5中得到的二维薄层碳进行分析，得到其透射电镜图，如图10所示。
实施例6
6.1将4g硫酸钾溶解于40ml去离子水中，搅拌30min，再滴加0.5ml配制好的25wt％聚羧甲基纤维素钠溶液搅拌12h，形成一个混合的澄清溶液并装于200ml的烧杯中。
6.2将步骤6.1得到的混合澄清液放于温度为25℃，湿度为50％的恒温恒湿箱中蒸发结晶至全部析出。
6.3将步骤6.2中结晶物置于700℃并且以2℃/min升温速率的氩气气氛的管式炉中煅烧2h，再用去离子水洗去剩余的硫酸钾，过滤、真空干燥，即制得二维薄层碳。
所制得的薄层碳厚度为2～10nm。

Claims (8)

1.一种二维薄层碳的制备方法，其特征在于，包括：
S1）将无机盐、碳前驱体与水混合，得到混合溶液；
S2）将所述混合溶液蒸发结晶后，在惰性气氛中煅烧，得到二维薄层碳；
所述无机盐、碳前驱体与水的质量比（1~8）：（0.1~3）：（10~80）；
所述步骤S2）中蒸发结晶在恒温恒湿箱中进行；蒸发结晶的温度为10℃~80℃；湿度为40%~80%。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述无机盐选自硫酸钾、硫酸钠、硫酸锂、硫酸铵、氯化钠、氯化钾与氯化铵中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳前驱体选自聚丙烯酸、聚氧乙烯、聚羧甲基纤维素钠、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺、葡萄糖、蔗糖与甲硫氨酸中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1）中碳前驱体以碳前驱体溶液的形式与无机盐及水混合；所述碳前驱体溶液中碳前驱体的浓度为10~50 wt%。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2）中煅烧的升温速率为1~15℃/min。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧的温度为500℃~1000℃；所述煅烧的时间为1~5 h。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，煅烧后，水洗，过滤，真空干燥后，得到二维薄层碳。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述二维薄层碳的厚度为2~25 nm。
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