一种化学气相合成超薄碳纳米片的方法

摘要

本发明公开了一种化学气相合成超薄碳纳米片的方法。本发明采用固体催化剂模板，气相碳源合成超薄碳纳米片，碳纳米片尺寸大、厚度小。超薄碳纳米片可用于锂离子电池及钠离子电池等能源存储器件。

权利要求

1.一种化学气相合成超薄碳纳米片的方法，其特征在于该方法在真空管式炉中合成超薄碳纳米片，真空管式炉主要由真空系统、供气系统、升温控制系统组成，具体过程为：

1）将固体催化剂模板置于真空管式炉内；所述固体催化剂模板为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氯化钾、氯化钠、硫酸钠或硫酸钾；

2）将真空管式炉抽真空至200Pa以下，通入惰性气体或氩氢混合气至大气压，升温至

600-750℃，并通入气相碳源，1-150min后在气氛保护下冷却至室温，得到固体产物；所述气相碳源选自乙炔、乙烯或甲烷；

3）将上述固体洗涤、抽滤、干燥得到超薄碳纳米片粉体。

说明书

一种化学气相合成超薄碳纳米片的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用化学气相合成技术制备超薄碳纳米片的方法，具体涉及一种使用固体催化剂模板和气相碳源合成超薄碳纳米片的方法，属于碳材料合成领域。

背景技术

[0002] 二维碳材料具有独特的结构和优异的物理化学特性，如较大的比表面积、良好的导电导热以及机械性能，在光电器件、复合材料、生物传感器尤其是储能器件等领域有着巨大的应用前景。目前，二维碳材料制备方法主要包括机械剥离法、化学氧化还原技术以及化学气相沉积技术。机械剥离法尽管能够获得高质量的石墨烯且电学性能优异，但产量低，不适合规模化制备；石墨氧化还原技术虽然可以宏量制备，但所制得的二维材料结构缺陷多、石墨化程度低、机械性能和导电性差，且过程中用到强酸、强氧化剂和还原剂，过程繁琐、污染较大；采用金属如铜箔等作为催化剂模板化学气相沉积制备过程苛刻需转移使用、产率低、不适合宏量生产；而采用金属氧化物作为模板制备二维碳纳米材料，同样需要预先通过系列化学反应制备纳米结构氧化物，再进行二维碳材料合成[垂直石墨烯纳米片组成的多孔分级结构碳微棒及其锂离子电池应用，《材料化学杂志A》，2015年，第3卷，第19800页]；采用硅藻土作为模板生长二维碳材料，过程中不仅需要对硅藻土进行硝酸和硫酸的预刻蚀，在高温1000℃生长后还需要使用氢氟酸或强碱除去模板 [三维石墨烯粉体的仿生模板CVD制备：通向高效溶液加工，《自然·通讯》，2016年，第7卷，第13440页]，过程复杂，污染大。开发工艺简单、成本低且绿色的二维碳材料制备方法是使其在各领域得以应用的关键。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种无污染、低成本、工艺简单且易于批量制备的二维超薄碳纳米片粉体的制备方法。

[0004] 本发明采用固体催化剂模板，气相碳源合成超薄碳纳米片，所得碳纳米片尺寸大、厚度小，能够规模宏量制备。

[0005] 一种化学气相合成超薄碳纳米片的方法，其特征在于该方法在真空管式炉中合成超薄碳纳米片，真空管式炉主要由真空系统、供气系统、升温控制系统组成，具体过程为：

[0006] 1）将固体催化剂模板置于真空管式炉内；

[0007] 2）将真空管式炉抽真空至200Pa以下，通入惰性气体或氩氢混合气至大气压，升温至合成温度，并通入气相碳源，合成结束后在气氛保护下冷却至室温，得到固体产物；

[0008] 3）将上述固体洗涤、抽滤、干燥得到超薄碳纳米片粉体。

[0009] 本发明所述的固体催化剂模板为碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、氯化钾、氯化钠、硫酸钠或硫酸钾。

[0010] 本发明所述的气相碳源选自乙炔、乙烯或甲烷。

[0011] 本发明所述的合成温度为600-900℃，合成时间为1-150min。

[0012] 本发明制备的超薄碳纳米片为二维层状结构，尺寸在5-50μm、厚度为2-30nm。

[0013] 本发明具有如下优点：

[0014] 1）所使用固体催化剂模板价格低廉，不需预处理；

[0015] 2）合成温度低，操作简便可控，重复性好；

[0016] 3）使用去离子水清洗，过程中不使用强酸/强碱，环境友好、无污染。

[0017] 本发明的效果益处：提供了一种简单规模制备超薄碳纳米片的方法，制备所用原材料丰富、廉价易得、环境友好、重复性好、产品质量稳定可靠；开辟了一种新的二维超薄碳纳米片制备方法，所制备超薄碳纳米片可用于锂离子电池及钠离子电池等能源存储器件。

附图说明

[0018] 图1是本发明实施例4中所得超薄碳纳米片的TEM照片。

[0019] 图2是本发明实施例4中所得超薄碳纳米片的Raman图谱。

具体实施方式

[0020] 实施例1

[0021] 将碳酸钠粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压、并通入氢气（为氩气体积的20%），将管式炉升温至750℃，通入乙炔（为氢气体积的20%），保温40min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出样品，使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在60℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。扫描电镜（SEM）结果显示样品具有较大尺寸。

[0022] 实施例2

[0023] 将氯化钠粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压，将管式炉升温至700℃，通入乙炔（为氩气体积的5%），保温40min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在60℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。

[0024] 实施例3

[0025] 将碳酸钾粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压、随后通入氢气（为氩气体积的20%），将管式炉升温至850℃，通入乙炔（为氢气体积的20%），保温40min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在60℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。

[0026] 实施例4

[0027] 称取碳酸钠粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压、随后通入氢气（为氩气体积的20%），将管式炉升温至800℃，通入乙炔（为氢气体积的20%），保温40min，停止通入乙炔，自然冷却降至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在60℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。图1为透射电镜（TEM）图，结果显示样品厚度较小，通过原子力显微镜测试可知其厚度在4nm，通过拉曼光谱（Raman，图2）测试可知具有一定结晶特性。

[0028] 实施例5

[0029] 将硫酸钾粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压、随后通入氢气（为氩气体积的20%），将管式炉升温至800℃，通入乙炔（为氢气体积的20%），保温40min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体，TEM结果显示具有明显的二维片层结构。

[0030] 实施例6

[0031] 将碳酸钠粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氩气至大气压、随后通入氢气（为氩气体积的10%），将管式炉升温至650℃，通入乙炔（为氢气体积的5%），保温150min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。SEM结果显示样品具有良好的片层结构。

[0032] 实施例7

[0033] 将碳酸锂粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氮气至大气压、随后通入氢气（为氮气体积的10%），将管式炉升温至600℃，通入乙炔（为氢气体积的5%），保温10min。随后，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体。扫描电镜（SEM）结果显示样品具有良好的片层结构。

[0034] 实施例8

[0035] 将碳酸钾粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氮气至大气压、随后通入氢气（为氮气体积的20%），将管式炉升温至900℃，通入乙炔（为氢气体积的20%），保温2min，停止通入乙炔，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体，TEM结果显示具有明显的超薄二维片层结构。

[0036] 实施例9

[0037] 将氯化钾粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氮气至大气压、随后通入氢气（为氮气体积的20%），将管式炉升温至880℃，通入甲烷（为氢气体积的50%），保温10min，停止通入甲烷，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体，TEM结果显示具有明显的超薄二维片层结构。

[0038] 实施例10

[0039] 将碳酸钠粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氮气至大气压、随后通入氢气（为氮气体积的30%），将管式炉升温至880℃，通入乙烯（为氢气体积的20%），保温2min。随后，停止通入乙烯，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体，TEM结果显示具有明显的超薄二维片层结构。

[0040] 实施例11

[0041] 将碳酸钾粉体置于真空管式炉内，抽真空至200Pa以下，通入氮气至大气压，将管式炉升温至880℃，通入乙烯（为氮气体积的10%），保温60min，停止通入乙烯，自然冷却至室温后，取出固体样品。使用去离子水将上述固体样品洗涤、抽滤并在80℃烘干后得到超薄碳纳米片粉体，TEM结果显示具有明显的二维片层结构。