[发明专利]一种石墨烯空心碳纳米笼的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料制备技术领域，更具体地，涉及一种石墨烯空心碳纳米笼材料的制备方法及应用。

背景技术

随着能源技术的不断发展，纳米石墨碳材料在电化学领域的应用越来越广泛。纳米石墨碳材料具有结构可控、比表面积大和导电性好、化学稳定性高等诸多优点，在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等电化学系统都具有巨大的应用价值。尤其是继富勒烯、碳纳米管和石墨稀的相继被发现并进入大众视野后，人们才真正了解纳米石墨碳材料所具有的独特魅力。最近，更多结构新型的纳米石墨碳材料已经陆续开发出来，比如石墨碳纳米杯、纳米角、纳米环、纳米笼等，这些材料的出现丰富了纳米石墨碳材料的结构，为其应用开启了更加广阔的空间。

其中，石墨烯纳米笼是一种十分独特的新型纳米石墨结构，其具有近似于富勒烯的独特的中空结构和较为可控的纳米尺寸。相对于富勒烯，石墨烯纳米笼具有更多的碳原子和更大的直径，而且其表面具有多孔结构，这种独特的空心多孔纳米石墨结构能赋予该材料一系列独特的物理化学性质，有望应用于工业催化、电化学储能、药物载体、光学器件等诸多领域。

鉴于其优异的性能和应用前景，探索合成石墨烯纳米笼的高效制备方法，控制石墨烯纳米笼的生长获得理想的形貌结构，具有重要的科学意义和实用价值。石墨烯纳米笼的制备过程通常包括两步：以金属性粒子为核心制备外层为石墨烯的核壳结构，然后通过物理或化学方法去掉内部核心，从而得到空心多孔的石墨烯纳米笼。通常石墨烯纳米笼的制备方法主要有激光溅射法、电弧放电法、超临界流体法、化学气相沉积法等。这些方法都需要以预先合成的金属性粒子（如金属单质及其氧化物纳米晶）作为模板、以昂贵的含碳气氛（如甲烷、乙炔等）作为碳源、以高纯的惰性气体（如氮气、氩气等）作为保护气体。由于技术的局限，这些方法所用的设备结构复杂且价格昂贵，操作繁琐且耗能较高，很难实现石墨烯纳米笼的大批量生产。鉴于此，开发一种廉价、简单的制备方法对推动石墨烯纳米笼的产业化将起到至关重要的作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中石墨烯纳米笼制备方法所存在的上述缺陷，提供一种新的石墨烯空心碳纳米笼材料的制备方法。

本发明的第二个目的是提供所述方法制备得到的石墨烯空心碳纳米笼材料。

本发明的第三个目的是提供所述石墨烯空心碳纳米笼材料的应用。

本发明的目的是通过以下技术方案予以实现的：

农作物废弃物在制备石墨烯空心碳纳米笼材料方面的应用，所述农作物废弃物选自甘蔗渣、花生壳、稻草、秸秆、茶叶梗、玉米梗、藤蔓中的一种或两种以上。

农作物废弃物为廉价碳源，现有技术中还没有利用农作物废弃物制备石墨烯空心碳纳米笼材料方面的应用，本发明利用廉价农作物废弃物作为石墨烯纳米笼的固相碳源进行热处理，在热处理过程中释放出的含碳气氛可以作为气相沉积的碳源，该含碳气氛自供给的类化学气相沉积技术从根本上降低了石墨烯纳米笼材料的制备成本。

本发明还提供一种石墨烯空心碳纳米笼材料的制备方法，是以农作物废弃物作为固相碳源，以过渡金属醋酸盐作为催化剂前驱体，所述固相碳源置于坩埚下层，催化剂前驱体置于坩埚上层进行掩盖热处理，收集上层产物，经酸处理、洗涤、过滤、干燥即得石墨烯空心碳纳米笼材料；所述固相碳源和催化剂前驱体的质量比为1：0.1～0.5；所述酸处理是指上层产物用8～12mol/L的盐酸浸泡1～3h。

本发明所述方法中上下层设置是为了分离农作物废弃物的灰分和碳物质。

本发明采用廉价的过渡金属醋酸盐作为催化剂前驱体，在热处理过程中醋酸盐容易被分解和还原为纳米金属进而催化得到石墨烯纳米层，该过程无需预先合成金属性粒子作为模板。

另外，因为浓盐酸能与金属发生激烈反应释放出大量气体，该反应过程能确保石墨烯纳米笼表面的多孔结构的形成，最终得到高比表面积和高电化学性能的石墨烯纳米笼。

优选地，所述热处理的温度为600～900℃，加热时间为10 min～60min，升温速率为5～20℃/min。

优选地，在进行热处理之前，所述农作物废弃物经烘干粉碎处理（粉碎后有利于充分迅速燃烧碳化），粉碎后粒径为0.5cm～2.0cm。

优选地，在进行热处理之前，所述过渡金属醋酸盐经球磨处理，球磨后粒径为0.5μm～5μm。

优选地，所述过渡金属醋酸盐选自醋酸镍、醋酸钴、醋酸锰中的的一种或两种以上；更优选地，所述过渡金属醋酸盐选自醋酸镍。