[发明专利]一种制备硫掺杂类石墨烯介孔碳纳米材料的方法

说明书

本技术发明涉及硫掺杂介孔碳纳米材料的制备。多孔碳纳米材料在超级电容器、锂离子电池负极、催化、吸附等领域有着很高的应用价值。本发明利用镁粉与二硫化碳气体的热还原反应得到介孔的类石墨烯结构碳纳米材料，能够实现高质量类石墨烯碳材料的大产量制备。将液体二硫化碳用氩气鼓泡，其挥发蒸汽被带入反应腔体中，在550‑650℃温度范围内与镁粉反应，得到碳纳米材料和硫化镁的混合物。将产物依次水洗和酸洗，冷冻干燥后得到疏松轻质的类石墨烯碳纳米材料，硫掺杂的元素百分比约6％。通过消耗镁粉还原二硫化碳的方法来制备碳纳米材料，具有成本低产量高之优势，而且引入的硫掺杂有利于该材料在电化学储能电极方面的应用。

技术领域

本发明属于功能碳纳米材料领域，主要内容是一种制备类石墨烯碳纳米材料的技术。通过利用镁粉与二硫化碳蒸汽的高温反应，生成了碳与硫化镁混合产物。经过酸洗处理后，得到硫掺杂的介孔碳纳米材料。该方法工艺简单、成本低。产品应用领域包括离子电池负极、超级电容器、太阳能光热水蒸发等。

背景技术

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质，并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，2nm<孔径<50nm,具有巨大的比表面积和孔体积，非常有望在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用，因此受到人们的高度重视。

与纯介孔硅材料相比，介孔碳材料表现出特殊的性质，有高的比表面积，高孔隙率；孔径尺寸在一定范围内可调；介孔形状多样，孔壁组成、结构和性质可调；通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性；合成简单、易操作、无生理毒性。它的诱人之处还在于其在燃料电池，分子筛，吸附，催化反应，电化学等领域的潜在应用价值。近年来，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化的方式形成的单层原子蜂窝状的二维纳米材料，具有优异的物理和化学性能。它是在2004年被发现，最初是通过用胶带剥离高质量石墨法得到单层石墨烯。由于石墨烯具有大的比表面积2630m²/g，室温下高的电子迁移率15,000m²/V/s。石墨烯的制备方法主要分为两类：湿化学法和气相反应法。化学气相沉积法制备石墨烯产率低且反应条件苛刻，需要高温真空环境。而湿化学法中的Hummer’s法，即将石墨粉进行氧化剥离，然后对单原子层的氧化石墨烯进行还原，具有易于工业化制备之优势。但是制备步骤繁琐，且需要大量的化学试剂，并无成本优势。目前市场上的氧化石墨烯价格约为550元/克，昂贵价格是通往工业化应用的主要障碍。

发明内容

本技术发明首次将镁粉(Mg)和二硫化碳(CS₂)蒸汽在低压高温条件下反应，最终制备了硫掺杂的三维结构介孔类石墨烯碳纳米材料。本技术突出的优势是能够大产量生产，而且初步测试发现该碳材料产品在太阳能海水淡化、锂离子电池负极等应用方面皆表现出优异性能。

本发明所用的化学原料廉价且常见，制备工艺可进一步升级以满足规模化生产需求。

本技术发明采用镁粉与氯化钠粉混合，在真空管式炉中与氩气带入的二硫化碳蒸汽反应，生成硫化镁和碳，2Mg+CS₂→2MgS+C。氯化钠的作用是为了使镁粉反应彻底，提高碳纳米材料的产量。混合物反应前后的图片如图1所示。混合物经过水洗和酸洗步骤，提纯得到疏松的碳纳米材料，电子显微镜图片如图2所示。二硫化碳在常温常压下是易挥发的液体。我们用氩气鼓泡法将二硫化碳蒸汽带入真空管式炉中。在550-650℃温度范围内发生镁热还原反应。

制备过程具体包括以下步骤：