[发明专利]一种基于自下而上分子组装的纳米炭片、制备方法及应用

说明书

技术领域

本发明涉及圆形、梭形、菱形、带状的纳米聚合物片、炭片的可控制备及应用，更具体的说是涉及一种自下而上基于分子自组装方法制备形貌可控、尺寸均匀，厚度均一的纳米炭片及其应用。

背景技术

天然气因无色无味无毒、热值高、燃烧稳定，一直被公认为洁净环保的优质能源。同时，天然气也是重要的化工原料，目前天然气直接转化制取烯烃和高值化学品用以缓解石油短缺带来的烯烃原料缺乏更是引起世界各国的广泛关注。但是天然气中除主要成分甲烷外，还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷，和酸性气体硫化氢、二氧化碳，以及氮和水汽等。为了增加天然气中的热容量、减少输送管路、使用设备的腐蚀和防止对空气的污染，必须将这些杂质气体在使用或输送前从天然气中除去。

目前存在的技术中，物理吸附法作为干法工艺，相比于传统的化学吸附法表现出很多优点，比如易再生、低能耗、腐蚀性小、操作易实现自动化等，可应用于变温吸附或者变压吸附过程。从原理上讲，物理吸附法是基于客体分子与多孔固体吸附剂表面活性点之间的分子间引力来实现捕获，因此高效的多孔吸附材料是吸附法的核心。

近年来，随着能源短缺、环境污染等问题日益突出，人们迫切需求绿色环保的储能设备。为满足电动汽车、移动电子设备对超级电容器的需求，开发出具有高功率密度、快速充放电、长循环稳定性、良好安全性能的电极材料成为当务之急。这就要求电极材料具有利于离子快速传输的单元结构以及能够存储电荷的大比表面积和合适的孔径分布。

为同时满足气体吸附分离和超级电容器对材料的要求，一系列具有高比表面积、大孔容、化学稳定性及热稳定性优异、可应用于酸、碱、水汽等复杂环境的多孔炭材料相继被合成并应用。

自2004年二维石墨烯被发现以来，科学家相继证实材料维度是决定其物理化学性质的重要因素之一。具有高深宽比结构的二维片层材料因其外比表面积大，扩散路径短，在气体吸附分离体及能源存储等领域表现出优异的性能和良好的应用前景。因此，兼具多孔炭吸附性能好和片层结构扩散吸附速率快的二维多孔炭片也成为研究的热点。

中国专利申请号：201210172187.4公开了一种高体积比电容复合石墨烯的多孔炭片，片层单元的形成是基于氧化石墨烯的模板作用。该方法得到的炭片具有三明治结构，垂直于炭片方向的孔道不能完全贯通。中国专利申请号：2012100506368公开了一种动力锂离子电池负极用层次孔结构炭材料及其制备方法，本方法利用原位铜模板法制备层次孔纳米炭片。该方法涉及酸洗除掉铜模板的过程。上述方法，均使用固体模板做片层结构导向剂。目前存在的方法中，还没有关于自下而上基于分子自组装制备多孔纳米炭片的方法这是因为片层结构的表面能高，分子自组装很难控制。。因此，如何开发一种有效、可控的制备方法得到形貌和尺寸均一、厚度可调的多孔炭片是亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供制备形貌、尺寸均一，厚度可调，单分散的聚合物片、炭片和多微孔炭片的方法。

本发明的技术方案：

一种基于自下而上分子组装的纳米炭片，该纳米炭片为由有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺组装聚合得到圆形、梭形、菱形或带状的胶体聚合物片，经炭化或炭化活化得到纳米炭片、多微孔纳米炭片，其片层单元的横向尺寸为0.1-100μm，厚度为10-900nm。

所述的纳米炭片的制备方法，以有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺为原料，水为溶剂，通过温度调控的自下而上的分子自组装的方法，经过低温聚合，制备出形貌均一、厚度可调的聚合物片，再进一步炭化热解，得到纳米炭片；步骤如下：

①将熔化后的有机相变储热材料迅速加入到含有表面活性剂的水溶液中，在高于有机相变储热材料熔点温度之上，剧烈搅拌，得到半透明白色乳液，其中，有机相变储热材料与表面活性剂的质量比1:10-1.5；

②将得到半透明白色乳液在低于有机相变储热材料熔点温度之下静置，得到白色胶体溶液；

③将酚、醛、水和有机胺按照比例依次加入白色胶体溶液中，水浴回流搅拌4-24h，产物经过滤、洗涤、干燥得到胶体聚合物片；其中，酚、醛、有机胺和表面活性剂的摩尔比为1:1-3:0.1-2:0.01-0.07，酚与水的质量比为1:200-1:3000；