[发明专利]一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法

说明书

一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法，先利用金相镶嵌机使酚醛树脂粉在加热条件下成型为圆形薄片；然后将圆形薄片放入提供惰性气体的容器中；最后在惰性气体保护下，激光直写加工系统利用高重频脉冲激光对圆形薄片进行直写，非碳元素以气体的形式释放后得到多孔石墨化纳米碳材料；本发明制备的纳米多孔石墨化碳材料具备丰富的层次孔，制备工艺简单，价格低廉而高效，绿色环保。

技术领域

本发明属于纳米多孔石墨化碳材料制备技术领域，具体涉及一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法。

背景技术

纳米多孔石墨化碳材料是一种由石墨化纳米薄壁构成的多孔碳材料，其孔径尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间，具有大比表面积、高电导性、独特的层次孔结构以及良好化学稳定性和热稳定性等优点，在气体分离、水的净化及储能与转换等领域都有着不凡的应用前景。由于其成本低廉，通过富碳前驱体的选择以及合成方法和条件的筛选，可以实现对纳米多孔石墨化碳材料的结构控制，设计合成出微孔、中孔和大孔呈合理分布和表面性能可调的多孔碳材料。这种层次孔纳米碳组装成的储能电极材料能够增大有效电化学接触面积、缩短离子扩散路径和缓冲其在充放电中的体积变化，从而提高其能量密度、倍率性能和电化学循环稳定性能。正因为优异的储锂及储能容量，近年来纳米多孔石墨化碳材料的设计合成及其在能源存储与转换领域中的应用潜力引起了人们的高度重视。

通常，合成多孔石墨化碳材料的方法主要有化学活化法、物理活化法、碳前驱体的催化活化、聚合物混合碳化、高分子气凝胶的碳化、生物质的碳化活化等。然而，上述方法制备的石墨化碳材料虽然具有比表面积高和导电性好的优点，但是它们的制备过程往往需要在高温或者化学试剂环境下进行并且工艺繁琐，导致所合成的多孔石墨化碳材料成本较高。因此，探索新的合成方法来实现纳米多孔石墨化碳材料的石墨化程度和结构调控，对其工业化应用具有重要的理论和实际指导意义。

将激光引入富碳前驱体中，利用激光与前驱体之间的相互作用机理，通过适当调节激光功率，扫描速度和扫描间距等激光参数，不仅可以实现多孔石墨化碳材料结构和性质上的可控调控，而且能够利用激光直写技术实现多孔碳的图案化直写，从而能够原位实现多孔石墨化碳材料基器件的一体化和集成化制造。但是，目前激光诱导纳米多孔石墨化碳材料还只局限于几种碳源材料，激光器的选择也只局限于长波长的连续激光器。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法，得到的纳米多孔石墨化碳材料具有比表面积高和石墨化程度高等优点，制备方法简单，低成本。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于高重频激光石墨化的纳米多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：

1)利用金相镶嵌机使酚醛树脂粉在加热条件下成型为圆形薄片；

2)将圆形薄片放入提供惰性气体的容器中；

3)在惰性气体保护下，激光直写加工系统利用高重频脉冲激光对圆形薄片进行直写，非碳元素以气体的形式释放后得到多孔石墨化纳米碳材料。

所述的步骤1)中酚醛树脂经镶嵌机制样镶嵌8-15分钟，保温130±5℃，压力30±5MPa，制成圆形薄片，厚度3～10mm。

所述的步骤1)中酚醛树脂为金相镶嵌粉成品，或者通过酚类物质与醛类物质发生化学反应而得到。

所述的步骤2)中提供惰性气体的容器为立方形结构，内部中空，底部的螺纹孔固定于工作台，左侧开口将圆形薄片粘贴到该容器中待加工材料表面，上侧为能够透过激光的石英玻璃窗口，前后两侧设有惰性气体的进气口和出气口，惰性气体流速为10～20ml/min。