CN111847425B - 一种高比表面多孔碳纳米带及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高比表面多孔碳纳米带及制备方法，通过锌离子与小分子配体作用，在溶剂热条件下形成独特的带状前驱体，其长度、宽度和厚度在尺寸上有显著差异，无机组分与有机组分达到分子尺度的混合，呈现均相结构。在高温煅烧过程中无机组分流失，在有机组分碳化而成的带状碳骨架中产生均匀分布的孔道，得到一种高比表面多孔碳纳米带材料。高比表面多孔碳纳米带由无定型碳组成，厚度为20‑50nm，宽度为150‑500nm，长度为20‑50μm，比表面积为500‑1500m2/g。高比表面多孔碳纳米带结构参数受前驱体合成过程中锌盐与配体的比例和浓度、反应时间，以及高温煅烧过程中煅烧温度和煅烧时间控制。
Description
技术领域
本发明属于多孔材料领域，涉及一种高比表面多孔碳纳米带及制备方法。
背景技术
多孔碳材料是多孔材料家族的一类明星材料，拥有高比表面积、丰富孔道和低密度的同时，还具备优异的化学稳定性和良好的导电能力，在吸附分离、电磁隐身、锂离子电池负极等方面极具应用价值。其中，一维碳纳米材料具有结构上的各向异性，在诸多领域表现出更显著的优势，开发新型一维碳纳米材料是多孔碳材料的研究方向之一。一维碳纳米材料的制备方法主要包括静电纺丝前驱体碳化、化学合成前驱体碳化和生物质材料碳化三种，均可实现大规模制备。CN106435841A通过静电纺丝和气流牵伸的方法制备了一种多孔聚丙烯腈纤维，经碳化后得到内部具有蜂窝孔道的多孔碳纤维。CN110423358A报道了一种由管状MOF材料转化而成的氮掺杂多孔碳纳米管，将其应用于锂离子电池展现出优异的性能。CN107221454A以棉纤维织物为原料制得了一种多孔碳纤维布，其保留了棉纤维原有的中空管状结构以及织物原有的紧密编织特质，可作为超级电容器的柔性电极使用。目前，研究较为广泛的一维碳纳米材料主要集中在碳纳米管和碳纤维，鲜少见到多孔碳纳米带的相关报道。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种高比表面多孔碳纳米带及制备方法
技术方案
一种高比表面多孔碳纳米带，其特征在于：通过锌离子与小分子配体作用，在溶剂热条件下形成独特的带状前驱体，由无定型碳组成，厚度为20-50nm，宽度为150-500nm，长度为20-50μm，比表面积为500-1500m2/g。
一种制备所述高比表面多孔碳纳米带的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：将锌盐溶解在N，N’-二甲基乙酰胺DMAc中得到溶液A，其中锌盐的浓度为0.1～0.2mol/L；
步骤2：将配体溶解在DMAc和浓硝酸的混合溶液中得到溶液B，其中配体的浓度为0.05～0.15mol/L；DMAc与浓硝酸的体积比为60︰1；
步骤3：在磁力搅拌下，将溶液B滴加入溶液A中，混合得到溶液C，其中锌盐与配体的物质的量之比为0.8～2︰1；
步骤4：将溶液C转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应12～24h；
步骤5：反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗；
步骤6：将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；
步骤7：将前驱体置于高温管式炉中煅烧，制得高比表面多孔碳纳米带，其中煅烧温度为900～1200℃，煅烧时间为3～5h，煅烧气氛为真空或惰性气体。
所述锌盐包括但不限于硫酸锌、硝酸锌、氯化锌、醋酸锌及上述物质水合物中的一种或几种的任意比混合。
所述配体包括但不限于氮川三乙酸、亚氨基二乙酸、氨基乙酸及上述物质的钠或钾盐中的一种。
有益效果
本发明提出的一种高比表面多孔碳纳米带及制备方法，多孔碳材料主要通过有机前驱体碳化转化而来，有机前驱体设计合成是新型碳材料制备的核心。本发明通过锌离子与小分子配体作用，在溶剂热条件下形成独特的带状前驱体，其长度、宽度和厚度在尺寸上有显著差异，无机组分与有机组分达到分子尺度的混合，呈现均相结构。在高温煅烧过程中无机组分流失，在有机组分碳化而成的带状碳骨架中产生均匀分布的孔道，得到一种高比表面多孔碳纳米带材料。高比表面多孔碳纳米带由无定型碳组成，厚度为20-50nm，宽度为150-500nm，长度为20-50μm，比表面积为500-1500m2/g。高比表面多孔碳纳米带结构参数受前驱体合成过程中锌盐与配体的比例和浓度、反应时间，以及高温煅烧过程中煅烧温度和煅烧时间控制。
本发明提出的一种高比表面多孔碳纳米带，典型特征是具有丰富的孔道、超高的比表面积、结构的各向异性、密度低和良好的化学稳定性。该材料在吸附分离、电磁隐身、锂离子电池负极等方面有着广阔的推广应用价值。本发明进一步丰富了多孔碳材料的种类，为吸附分离、电磁隐身及电池电极材料提供了新的选择。
附图说明
图1是前驱体的SEM和TEM照片
图2是高比表面多孔碳纳米带的SEM和TEM照片
图3是高比表面多孔碳纳米带的吸附-脱附等温线(BET表面积为1242.5m2/g)
图4是高比表面多孔碳纳米带的孔径分布曲线(平均孔径：4.8nm；峰位孔径：3.7nm；孔体积：1.16m3/g)
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
实施例1：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取0.5g七水合硫酸锌，将其溶解在15mL DMAc中，得到溶液A；称取0.25g氮川三乙酸，将其溶解在15mL DMAc和0.25mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至50mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应24h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于1000℃管式炉中煅烧4h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例2：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取1.2g六水合硝酸锌，将其溶解在40mL DMAc中，得到溶液A；称取1.0g氮川三乙酸，将其溶解在40mL DMAc和0.65mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应12h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于900℃管式炉中煅烧5h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例3：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取0.4g氯化锌，将其溶解在15mL DMAc中，得到溶液A；称取0.2g亚氨基二乙酸，将其溶解在15mL DMAc和0.25mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至50mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应15h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于1200℃管式炉中煅烧3h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例4：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取3.7g醋酸锌，将其溶解在200mL DMAc中，得到溶液A；称取0.75g氨基乙酸，将其溶解在200mL DMAc和3.35mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至500mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应24h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于1100℃管式炉中煅烧3.5h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例5：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取1.7g七水合硫酸锌，将其溶解在40mL DMAc中，得到溶液A；称取0.4g亚氨基二乙酸，将其溶解在40mL DMAc和0.65mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至100mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应14h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于900℃管式炉中煅烧5h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例6：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取3.3g醋酸锌，将其溶解在100mL DMAc中，得到溶液A；称取0.6g氨基乙酸，将其溶解在100mL DMAc和1.65mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至250mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应18h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于900℃管式炉中煅烧5h，制得高比表面多孔碳纳米带。
实施例7：高比表面多孔碳纳米带的制备
称取8.3g六水合硝酸锌，将其溶解在200mL DMAc中，得到溶液A；称取5.7g氮川三乙酸，将其溶解在200mL DMAc和3.35mL的浓硝酸的混合溶液中，得到溶液B；在磁力搅拌下，将溶液B缓慢滴加入溶液A中，充分混合得到溶液C；将溶液C转移至500mL聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120℃烘箱中反应24h；反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗3次；将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85℃下干燥24h，得到前驱体；在氮气氛围下，将前驱体置于1000℃管式炉中煅烧4h，制得高比表面多孔碳纳米带。
Claims (2)
1.一种高比表面多孔碳纳米带，其特征在于：通过锌离子与小分子配体作用，在溶剂热条件下形成独特的带状前驱体，所述高比表面多孔碳纳米带由无定型碳组成，厚度为20-50nm，宽度为150-500 nm，长度为20-50 μm，比表面积为500-1500 m2/g；制备该高比表面多孔碳纳米带的步骤如下：
步骤1：将锌盐溶解在N，N’-二甲基乙酰胺DMAc中得到溶液A，其中锌盐的浓度为0.1~0.2 mol/L；
步骤2：将配体溶解在DMAc和浓硝酸的混合溶液中得到溶液B，其中配体的浓度为0.05~0.15 mol/L；DMAc与浓硝酸的体积比为60︰1；
步骤3：在磁力搅拌下，将溶液B滴加入溶液A中，混合得到溶液C，其中锌盐与配体的物质的量之比为0.8~2︰1；
步骤4：将溶液C转移至聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，于120 ℃烘箱中反应12~24h；
步骤5：反应结束后冷却至室温，经离心分离得到白色固体，并用DMAc清洗；
步骤6：将清洗后的白色固体置于真空干燥箱中，在85 ℃下干燥24 h，得到前驱体；
步骤7：将前驱体置于高温管式炉中煅烧，制得高比表面多孔碳纳米带，其中煅烧温度为900~1200 ℃，煅烧时间为3~5 h，煅烧气氛为真空或惰性气体；
所述配体包括氮川三乙酸、亚氨基二乙酸、氨基乙酸。
2.根据权利要求1所述的一种高比表面多孔碳纳米带，其特征在于：所述锌盐包括硫酸锌、硝酸锌、氯化锌、醋酸锌及上述物质水合物中的一种或几种的任意比混合。
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