[发明专利]一种大尺寸柔性三维多孔碳结构的制备方法

说明书

本发明公开了一种大尺寸柔性三维多孔碳结构的制备方法，属于微纳结构与功能材料制备领域，该制备方法工艺简单，易于实施，且能大规模生产。本发明应用分子层沉积技术（MLD）在适宜的三维模板表面沉积无机‑有机杂化物作为前驱体，通过高温热处理将杂化物转化为碳‑金属氧化物的复合物，最后通过化学腐蚀的方法去除模板与金属氧化物，以此来制备大尺寸的柔性三维多孔碳结构材料。由于三维模板的尺寸、结构可根据需要进行选择，而丰富有机官能团、多变的碳链长度，使得设计与调谐多孔碳的分级微结构与对碳掺杂成为可能，为大尺寸柔性多孔碳材料的制备提供了一种可行的途径。

技术领域

本发明属于微纳结构与功能材料制备领域，尤其涉及一种大尺寸柔性三维多孔碳结构的制备方法。

背景技术

碳材料具有良好的化学稳定性、热稳定、优良的导电和导热性，是一种具有广泛应用前景的材料，包括石墨烯、碳纳米管、碳纤维、碳黑、活性炭等等。尤其是三维碳纳米材料由于其优异的电学、光学和磁学性能，在电子器件、传感器、光电材料、能源等领域展现广阔的应用前景，已经成为碳材料研究领域的热点之一。沈阳金属所使用化学气相沉积技术在泡沫镍上沉积石墨烯，腐蚀去除基底后获得了泡沫石墨烯，成功用于传感器、能源等领域；浙江大学利用碳纳米管和由化学氧化-还原得到的石墨烯制成超轻的气凝胶，密度仅为0.16mg/cm³，比空气还轻。近年来，也有不少研究人员采用金属有机骨架化合物作为模板和前驱体，通过后退火与化学腐蚀工艺，获得多孔碳粉末。虽然目前关于三维多孔碳纳米材料的制备研究取得了一定的进展，但是大尺寸柔性三维多孔碳结构材料制备还鲜有报道。

发明内容

本发明提供了一种大尺寸柔性三维多孔碳结构的制备方法，应用MLD(分子层沉积)技术，三维模板的尺寸、结构可根据需要进行选择，制备方法工艺简单，易于实施，且能大规模生产。

为实现以上目的本发明采用如下技术方案：

一种大尺寸柔性三维多孔碳结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)衬底的准备：选择三维模板作为衬底，使用有机溶剂和去离子水超声清洗干净；

(2)MLD沉积无机-有机杂化物：将所述衬底转移到ALD(原子层沉积技术)反应腔中，反应温度为60 ^oC-350 ^oC，金属前驱体脉冲时间为0.3s~3s，有机前驱体脉冲时间为2s-8s；每次脉冲之后，用高纯氮气清洗6s~20s，沉积20-500 nm的无机-有机杂化物薄膜，形成无机-有机杂化物包裹的三维衬底结构；

(3) 热退火处理：在惰性或还原性氛围下，将所述无机-有机杂化物包裹的三维衬底结构在600℃-1200℃进行0.5h-3h的热退火处理，自然冷却至室温，形成碳-金属氧化物的复合结构；

(4)包裹PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）保护层：对碳-金属氧化物的复合结构滴涂PMMA，接着在180℃下烘30min-90min，形成PMMA保护层；

(5)化学法腐蚀去除金属氧化物和三维模板：使用酸或者碱溶液腐蚀步骤(4)的产物3-8小时，随后使用去离子水冲洗样品；

(6)去除PMMA保护层：将步骤(5)的产物在有机溶剂中浸泡3h-8h，去除PMMA，获得大尺寸三维多孔碳材料。