CN110015651B - 一种层状碳材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高导电性层状碳材料的制备方法，将糖类前驱体粉末或溶液在预热好的管式炉或马弗炉中快速加热，即形成碳纳米片；将所得碳纳米片在惰性气体氛围中进一步高温处理，可得到高导电性层状碳材料。本方法无需催化剂和模板剂，且反应迅速，在20分钟内即能得到碳纳米片。本发明原料价格低廉且可再生，反应条件温和，无需高压反应，不会对环境造成污染。所得层状碳材料尺寸超过10微米，厚度小于5纳米，具有薄层、大尺寸的特性。本发明制备的层状碳材料可应用于生物成像、染色、光催化、光电器件等领域。所制备的层状碳材料也能与其它材料复合，制备多功能复合材料。本发明所得到的层状碳材料也能作为模板剂，用于合成其它二维材料。

Description

一种层状碳材料的制备方法
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种高导电性层状碳材料的制备方法。
背景技术
自石墨烯被成功制备以来，包括石墨烯在类的碳纳米片材料已引起人们的广泛关注。独特的结构优势赋予碳纳米片优异的综合性能，在能量存储与转化、生物医药、催化、光电材料等领域具有广阔的应用前景。目前，碳纳米片的制备方法主要分为自上而下法和自下而上法两类。自上而下法以各类碳材料为前驱体，通过强氧化、电子束刻蚀、水热、微波热等处理，将原料剥离成层状纳米片结构。自下而上法以小分子为前驱体，通过水热、溶剂热、微波、化学气相沉积等物理化学处理，得到碳纳米片。碳纳米片的制备方法通常需要苛刻的反应条件，会对环境造成污染，且成本较高。为了实现石墨烯量子点的应用，发展出一种条件温和、无污染、低成本的制备方法至关重要。
生物质以其可再生、环境友好、成本低廉以及原料来源广泛等优点，已被用于合成各类高附加值化学试剂以及功能性碳纳米材料。生物质为纳米材料的结构设计和功性能器件的制造提供了新可能。尽管近年来在生物质基碳纳米材料的合成方面取得的一定的进展，目前由生物质合成的碳纳米材料结构难以控制，限制了高性能材料的开发。在结构控制方面，生物质的反应活性较低，因而需要较苛刻的反应条件才能将其转变为碳纳米材料。最常用的合成方法包括水热法、离子热法以及高温热解法。由于合成过程的复杂性以及不可控性，并且生物质本身为非层状结构，如何由生物质直接合成二维碳纳米材料仍然是巨大的挑战。为了从生物质得到二维碳纳米材料，最常用的方法是模板法，然而模板的脱除需要消耗大量的有害试剂，并且模板的存在限制了结构的设计性。
发明内容
本发明的目的在于克服碳纳米片的制备难点，提供一种反应条件温和、无环境污染、低成本的由糖类前驱体制备碳纳米片的方法。本发明方法制备的碳纳米片尺寸超过10μm，厚度小于5 纳米，并且纳米片的表面富含氧官能团。相比于传统方法，本方法无需任何催化剂或模板剂，且合成过程快速、高效，产物杂质少。经过进一步在惰性气体或真空条件下的高温处理，所得到的碳纳米片能进一步转变为高导电性的层状结构碳材料。
本发明制备的碳纳米片可应用于生物、光催化、光电材料等领域，且具有操作简单、成本低、无污染、原料可再生且来源广泛等优势，适合大规模生产和工业化应用。
本发明提出的一种由糖类前驱体制备碳纳米片的方法，具体步骤如下：
（1）将糖类前驱体溶于水中，形成均一的溶液;
（2）将步骤（1）得到的溶液或糖类前驱体粉末在预热好的管式炉或马弗炉中进行快速加热处理，得到富含氧官能团的碳纳米片；
（3）将步骤（2）得到富含氧官能团碳纳米片在惰性气体中进行高温处理，得到层状结构碳材料。
本发明中，所用的糖类前驱体为葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖、蔗糖或麦芽糖中任一种或它们的任意组合。
本发明中，步骤（1）所述溶液的质量浓度为0.05-800毫克/毫升。
本发明中，步骤（2）所述的加热温度为200-380oC，加热过程在空气或惰性氛围（氮气或氩气）中进行。在糖类前驱体放入反应器之前，反应器已预先加热至指定温度。
本发明中，于步骤（3）所述的高温处理过程温度为500-3000oC，高温过程在氮气、氩气或真空条件下进行。
本发明的有益效果在于：针对现有技术存在的不足，本发明人经过长期的实践与研究，提出了本发明的技术方案，该方案可实现碳纳米片的低成本、无污染、大规模制备。在本发明的技术路线中，无需高压反应条件，且反应过程快速、高效，解决了碳纳米片规模化制备的关键问题，为实现碳材料在催化、生物、光电等领域的应用提供了一种有效途径。
附图说明
图1为所得碳纳米片的透射电镜图。由图可知，所得碳纳米片的尺寸为微米级，最大尺寸超过10微米。
图２为所得碳纳米片的扫描电镜图。由图可知，所得碳纳米片的厚度在10纳米以下。
图３为所得碳纳米片的元素分布图；（a）为扫描电镜图，（b）为总图，（c）为碳的元素分布图，（d）为氧的元素分布图。
具体实施方式
以下通过具体实例说明本发明的技术方案。应该理解，本发明提到的一个或多个步骤不排斥在所述组合步骤前后还存在其它方法和步骤，或者这些明确提及的步骤之间还可以插入其它方法和步骤。还应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的目的，而非为限制每个方法的排列次序或限定本发明的实施范围，其相对关系的改变或调整，在无实质技术内容变更的条件下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
（1）将1克葡萄糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在350oC的管式炉空气中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至350℃，溶液加热过程没有升温步骤；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在700oC的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例2
（1）将2克葡萄糖粉末在300℃的管式炉氮气中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至300℃，溶液加热过程没有升温步骤；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例3
（1）将1克葡萄糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液。
（2）将（1）中得到溶液在250℃的管式炉氩气中加热30分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例4
（1）将2 克葡萄糖粉末在250℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例5
（1）将1克果糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在380℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至380℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在600℃的氩气气氛中退火1小时，进一步在2000oC退火20分钟后，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为5℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氩气气氛中自然冷却。
实施例6
（1）将2克果糖粉末在310℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至310℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的真空条件下退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在真空条件下自然冷却。
实施例7
（1）将1克果糖和葡萄糖（质量比1:1）加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在320℃的管式炉中加热30分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至320℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为5℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例8
（1）将2克果糖粉末在250oC的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250oC，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例9
（1）将5克蔗糖和果糖（质量比1:1）加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在350℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至350℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在700℃的氮气气氛中退火1小时，进一步在3000oC退火20分钟后，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例10
（1）将2克蔗糖粉末在300℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至300℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例11
（1）将5克蔗糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在200℃的管式炉中加热40分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至200℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例12
（1）将2 克蔗糖粉末在250℃的管式炉中加热30分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例13
（1）将1克麦芽糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在350℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至350℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在700℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例14
（1）将2 克麦芽糖粉末在300℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至300℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例15
（1）将1 克麦芽糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在250℃的管式炉中加热30分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例16
（1）将2 克麦芽糖粉末在250℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例17
（1）将1克核糖加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在350℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至350℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在700℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例18
（1）将2 克脱氧核糖粉末在300℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至300℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，进一步在3000oC退火20分钟后，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10oC/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例19
（1）将1克核糖和麦芽糖（质量比2:1）加入10毫升去离子水，形成均一稳定的无色透明溶液；
（2）将（1）中得到溶液在250℃的管式炉中加热30分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（3）将（2）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1 小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。
实施例20
（1）将2 克脱氧核糖粉末在250℃的管式炉中加热20分钟，得到碳纳米片。加热前，管式炉已升温至250℃，溶液加热过程没有升温步骤；加热在空气中进行；
（2）将（1）中得到的碳纳米片在800℃的氮气气氛中退火1小时，得到导电性碳材料。退火过程中的升温速率为10℃/min，起始温度为室温；退火结束后，样品在氮气气氛中自然冷却。

Claims (6)

1.一种层状碳材料的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
（1）将糖类前驱体溶于水中，形成均一糖类前驱体溶液; 糖类前驱体的质量浓度为0.05-800毫克/毫升；
（2）将步骤（1）得到的糖类前驱体溶液或糖类前驱体粉末在预热好的管式炉或马弗炉中进行快速加热处理，得到富含氧官能团的碳纳米片；
（3）将步骤（2）得到富含氧官能团碳纳米片在惰性气体中进行高温处理，得到层状结构碳材料；
其中步骤（2）所述的加热温度为200-380℃，加热过程在空气或惰性氛围中进行，在糖类前驱体溶液或糖类前驱体粉末放入管式炉或马弗炉之前，管式炉或马弗炉已预先加热至指定温度。
2.根据权利要求1所述的层状碳材料的制备方法，其特征在于所述的糖类前驱体为葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖、蔗糖或麦芽糖中任一种。
3.根据权利要求1所述的层状碳材料的制备方法，其特征在于步骤（ 2）中所述惰性氛围为氮气或氩气。
4.根据权利要求1所述的层状碳材料的制备方法，其特征在于所述指定温度为250-380℃。
5.根据权利要求1所述的层状碳材料的制备方法，其特征在于步骤（3）所述的高温处理过程控制反应温度为500-3000℃，高温过程在氮气、氩气或真空条件下进行。
6.根据权利要求4或５所述的层状碳材料的制备方法，其特征在于高温处理过程中升温速率为10℃/min，起始温度为室温。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103227327A (zh) * 2013-04-26 2013-07-31 天津大学 二维碳纳米片层锂离子电池负极材料的热解制备方法
JP2014205596A (ja) * 2013-04-15 2014-10-30 健 増長 炭素材料の製造方法、炭素材料および二次電池

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014205596A (ja) * 2013-04-15 2014-10-30 健 増長 炭素材料の製造方法、炭素材料および二次電池
CN103227327A (zh) * 2013-04-26 2013-07-31 天津大学 二维碳纳米片层锂离子电池负极材料的热解制备方法

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