超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法
【專利摘要】一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】的超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法，通過(guò)將食用面粉在保護(hù)氣氛氛圍或真空環(huán)境下經(jīng)熱處理并冷卻后得到，制備得到的超薄結(jié)構(gòu)碳片厚度小于90nm且為片狀石墨化結(jié)構(gòu)。本發(fā)明直接采用對(duì)工業(yè)商品化碳源材料的保護(hù)氣氛熱處理即可得到超薄結(jié)構(gòu)碳片產(chǎn)物，原料來(lái)源廣泛，制備步驟少而簡(jiǎn)單，所得到的超薄結(jié)構(gòu)碳片形貌優(yōu)異，且環(huán)境友好，利于工業(yè)化生產(chǎn)。
【專利說(shuō)明】超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種納米材料【技術(shù)領(lǐng)域】的方法，具體是一種厚度小于90納米的超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳質(zhì)材料因其優(yōu)異的熱學(xué)性能、化學(xué)性能和電學(xué)性能得到了廣泛的關(guān)注與研究；而其中碳片作為一種優(yōu)異的低維碳質(zhì)材料格外引人注目。這是因?yàn)槌√计哂斜缺砻娣e大、表面規(guī)整、彈性模量高、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐酸耐堿、耐高溫和輕質(zhì)的特性，在復(fù)合材料、電極材料、超級(jí)電容器、氣體傳感器、微電子等領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用。尤其自2004年Novoselov等人發(fā)表了題為“Electric field effect in atomically thin carbon films，，(原子級(jí)碳薄膜的電場(chǎng)效應(yīng))(Science306 (2004) 666-669)的文章后,石墨烯基材料作為低維碳質(zhì)材料的代表更是引起各國(guó)科研人員對(duì)低維碳質(zhì)材料研究的極大熱情。為進(jìn)一步豐富低維碳質(zhì)材料的應(yīng)用，在石墨烯基材料的研究帶動(dòng)下，一些非石墨烯基低維碳質(zhì)材料的制備也逐漸引起人們的關(guān)注。
[0003]目前報(bào)道的制備方法大都存在著一些無(wú)法回避的問(wèn)題。如文獻(xiàn)(carbon49(2001)237-241)報(bào)道了一種制備無(wú)定形碳片的方法，該方法是將銅片放置在酒精燈火焰上方，利用燈焰不完全燃燒出現(xiàn)的碳沉積，在基底銅片表面形成一定厚度的沉積層，經(jīng)刻蝕去除基底銅片得到最終產(chǎn)物碳片，該方法雖然簡(jiǎn)單，但存在產(chǎn)物量少、效率較低、需刻蝕基板，且量產(chǎn)困難等問(wèn)題。而文獻(xiàn)(carbon49 (2011) 5117-5123)報(bào)道的一種制備碳基薄膜的方法，是利用高能激光照射對(duì)經(jīng)旋涂方法得到的聚苯基卡賓薄膜進(jìn)行碳化，從而得到一種碳片產(chǎn)物，該方法得到的產(chǎn)物形貌較好，但是存在過(guò)程復(fù)雜、涉及的反應(yīng)物毒性大、成本高、實(shí)驗(yàn)操作要求高、以及量產(chǎn)困難等缺點(diǎn)?？梢钥闯觯m然碳片材料已引起了人們的關(guān)注，但現(xiàn)有的制備方法仍存在一些急需克服的問(wèn)題，如:產(chǎn)率較低、制備過(guò)程復(fù)雜，較難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)等。因此，需要尋找一種制備過(guò)程便捷、成本可控、且易實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)方法。
`[0004]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的檢`索發(fā)現(xiàn)，中國(guó)專利文獻(xiàn)號(hào)CN103011129A，
【公開(kāi)日】2013-04-03，公開(kāi)了一種以椰殼為原料制備高比表面積多孔石墨化納米碳片的方法，該技術(shù)通過(guò)一、采用酸處理法或堿處理法對(duì)椰殼進(jìn)行預(yù)處理；二、向溶劑中加入催化劑、活化劑和步驟一預(yù)處理的椰殼，在溫度為50~80°C、攪拌速度為100~350r/min條件下攪拌6~8h,得配合物；其中，椰殼與催化劑的質(zhì)量比為I~5:1，椰殼與活化劑的質(zhì)量比為I~5:1 ；三、在溫度為50°C~200°C的條件下，將步驟二得到的配合物固化6~8h，得生成物；四、以I~15°C /min的速度升溫至700°C~1100°C，然后在700°C~1100°C條件下熱處理步驟三的生成物IOmin~5h，得產(chǎn)物，其中熱處理氣氛流量為60~1000mL/min，熱處理氣氛為惰性氣體；五、用酸浸法處理步驟四的產(chǎn)物，然后在20°C~40°C下攪拌2~6h，再用蒸餾水洗滌至洗液PH為7.0，最后在溫度為80°C~120°C的條件下干燥6~8h，即得到高比表面積多孔石墨化納米碳片材料。但該技術(shù)除需要對(duì)原料進(jìn)行預(yù)處理、加入催化劑和活化劑外，制備流程較為繁雜，所需時(shí)間仍然較長(zhǎng)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的所述不足，提出一種超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法，直接采用對(duì)工業(yè)商品化碳源材料的保護(hù)氣氛熱處理即可得到超薄結(jié)構(gòu)碳片產(chǎn)物，原料來(lái)源廣泛，制備步驟少而簡(jiǎn)單，所得到的超薄結(jié)構(gòu)碳片形貌優(yōu)異，且環(huán)境友好，利于工業(yè)化生產(chǎn)。。
[0006]本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法，通過(guò)將食用面粉在保護(hù)氣氛氛圍或真空環(huán)境下經(jīng)熱處理并冷卻后得到。
[0008]所述的食用面粉是指市售以小麥粉為主要成份的面粉類(lèi)產(chǎn)品，其中主要成份是指:小麥粉質(zhì)量含量超過(guò)50% (w/w)0
[0009]所述的保護(hù)氣氛是指:氮?dú)?、氬氣、氫氣或者其中任何兩者或三者按任何比例的混合氣或惰性氣體與還原氣體的混合氣氛；也包括不采用保護(hù)氣氛的真空處理?xiàng)l件。
[0010]所述的熱處理是指:在保護(hù)氣氛氛圍或真空環(huán)境下，在密閉空間中，在300-1500°C的溫度范圍內(nèi)熱處理30分鐘以上。
[0011]所述的密閉空間通過(guò)管式高溫爐中以耐高溫瓷舟作為載具實(shí)現(xiàn)。
[0012]所述的冷卻是指在所述的保護(hù)氣氛氛圍下，進(jìn)行的控溫逐步冷卻、自然冷卻，人為加速冷卻過(guò)程。
[0013]所述的控溫逐步冷卻是指在整個(gè)體系溫度達(dá)到150°C前，每小時(shí)降溫不超過(guò)IOO0C的控溫逐步冷卻過(guò)程。
[0014]所述的自然冷卻是指在熱處理完成后，體系通過(guò)與外界自然環(huán)境進(jìn)行的熱交換條件下實(shí)現(xiàn)的自然冷卻過(guò)程。
[0015]所述的人為加速冷卻是指在熱處理完成后，通過(guò)人為改變體系外的自然環(huán)境狀態(tài)(如降低溫度、增加空氣流動(dòng)速度)來(lái)促進(jìn)體系與外界自然環(huán)境的熱交換，從而實(shí)現(xiàn)加速冷卻的過(guò)程。
[0016]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的超薄結(jié)構(gòu)碳片，其厚度小于90nm且為片狀石墨化結(jié)構(gòu)。
[0017]本發(fā)明涉及上述超薄結(jié)構(gòu)碳片的應(yīng)用，將該超薄結(jié)構(gòu)碳片用于制備吸附材料、鋰離子電池或超級(jí)電容電極。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為實(shí)施例1中面粉SEM圖。
[0019]圖2為H2/Ar熱還原碳片SEM圖。
[0020]圖3為N2熱還原碳片SEM圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例1[0022]將裝有普通食用面粉的耐高溫瓷舟，放入管式高溫爐中，在H2/Ar (5%/95%)混合氣的氛圍下排空氣30分鐘后，開(kāi)始加熱，并以每分鐘10°C的升溫速率升溫至1100°C并維持8h，隨后開(kāi)始自然冷卻并維持氣氛保護(hù)狀態(tài)至100°C以下，停止氣氛保護(hù)，即可得到片狀結(jié)構(gòu)的碳片產(chǎn)物，其SEM圖如圖2所示。
[0023]本實(shí)施例制備得到的產(chǎn)物的物理化學(xué)屬性為:由于還原性氣體H2的存在，面粉在碳化重構(gòu)過(guò)程中以二氧化碳或一氧化碳形式逃逸的含碳?xì)怏w較少，碳片產(chǎn)量較高，產(chǎn)物碳化程度較高，結(jié)構(gòu)更為致密。
[0024]由于上述特點(diǎn)，該產(chǎn)物作為鋰離子電池負(fù)極材料方面更具應(yīng)用價(jià)值，但不局限于鋰離子電池電極材料的應(yīng)用。
實(shí)施例2
[0025]將裝有普通食用面粉的耐高溫瓷舟，放入管式高溫爐中，在N2氛圍下排空氣30分鐘后，開(kāi)始加熱，并以每分鐘10°C的升溫速率升溫至700°C并維持5h，隨后開(kāi)始自然冷卻并維持氣氛保護(hù)狀態(tài)至100°C以下，停止氣氛保護(hù)，即可得到片狀結(jié)構(gòu)的碳片產(chǎn)物，其SEM圖如3所示。
[0026]本實(shí)施例制備得到的產(chǎn)物的物理化學(xué)屬性為:由于采用惰性氣體N2，面粉在碳化重構(gòu)過(guò)程中以二氧化碳或一氧化碳形式逃逸的含碳?xì)怏w較采用還原氣氛處理時(shí)多，因此，碳片產(chǎn)量有所減少，其碳片結(jié)構(gòu)較為疏松，材料結(jié)構(gòu)中孔洞有所增多。
[0027]由于上述特點(diǎn)，該產(chǎn)物作為超級(jí)電容器電極材料方面更具應(yīng)用價(jià)值，但不局限于超級(jí)電容器電極材料方面的應(yīng)用。
實(shí)施例3
[0028]將裝有普通食用面粉的耐高溫瓷舟，放入管式高溫爐中，在Ar氛圍下排空氣30分鐘后，開(kāi)始加熱，并以每分鐘10°C的升溫速率升溫至500°C并維持4h，隨后開(kāi)始自然冷卻并維持氣氛保護(hù)狀態(tài)至100°C以下，停止氣氛保護(hù)，即可得到片狀結(jié)構(gòu)的碳片產(chǎn)物。
[0029]本實(shí)施例制備得到的產(chǎn)物的物理化學(xué)屬性為:由于采用惰性氣體Ar，面粉在碳化重構(gòu)過(guò)程中以二氧化碳或一氧化碳形式逃逸的含碳?xì)怏w較采用還原氣氛處理時(shí)多，并且熱處理溫度較低，因此，碳片結(jié)構(gòu)較為疏松，且殘留官能團(tuán)較多。
[0030]由于上述特點(diǎn)，該產(chǎn)物作為吸附材料方面更具應(yīng)用價(jià)值，但不局限于吸附材料方面的應(yīng)用。
【權(quán)利要求】
1.一種超薄結(jié)構(gòu)碳片的制備方法，其特征在于，通過(guò)將食用面粉在保護(hù)氣氛氛圍或真空環(huán)境下，在密閉空間中，在300-1500°C的溫度范圍內(nèi)熱處理30分鐘以上并冷卻后得到。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的食用面粉中小麥粉質(zhì)量含量超過(guò)50%(w/w)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的保護(hù)氣氛是指:氮?dú)?、氬氣、氫氣或者其中任何兩者或三者按任何比例的混合氣或惰性氣體與還原氣體的混合氣氛。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的密閉空間通過(guò)管式高溫爐中以耐高溫瓷舟作為載具實(shí)現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述的冷卻是指在所述的保護(hù)氣氛氛圍下，進(jìn)行的控溫逐步冷卻、自然冷卻，人為加速冷卻過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的控溫逐步冷卻是指在整個(gè)體系溫度達(dá)到150°C前，每小時(shí)降溫不超過(guò)100°C的控溫逐步冷卻過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征是，所述的自然冷卻是指在熱處理完成后，體系通過(guò)與外界自然環(huán)境進(jìn)行的熱交換條件下實(shí)現(xiàn)的自然冷卻過(guò)程。
8.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述方法制備得到的超薄結(jié)構(gòu)碳片，其特征在于，其厚度小于90nm且為片狀石墨化結(jié)構(gòu)。
9.一種根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的超薄結(jié)構(gòu)碳片的應(yīng)用，其特征在于，將該超薄結(jié)構(gòu)碳片用于制備吸附材料、鋰·離子電池或超級(jí)電容電極。
【文檔編號(hào)】B82Y30/00GK103708449SQ201410005075
【公開(kāi)日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】郭守武, 張嘉楠, 郭秉昊, 楊永強(qiáng), 吳海霞 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)