[发明专利]一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片及其制备方法和用途

说明书

本发明公开一种一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片及其制备方法和用途，以一串红花瓣为生物质前驱体，通过封装保护策略制备得到具有类石墨烯结构的多孔碳纳米片。首先将一串红花瓣与饱和的封装剂溶液均匀混合，然后在惰性气体保护下高温热解，混合物在热解过程中同时被封装保护形成多孔的类石墨烯碳纳米片。本发明所制备的多孔碳纳米片具有类石墨烯的二维片状结构，比表面积大，导电性能强；用作的超级电容器电极材料时，电容性能高，倍率性能好，循环寿命长。本方法操作简单，安全环保，经济高效,可实现多孔碳纳米片的大规模生产。

技术领域

本发明涉及一种多孔碳纳米片及其制备方法，具体涉及一种一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片及其制备方法和用途，属于植物资源利用领域和碳纳米材料制备领域。

背景技术

生物质多孔碳类石墨烯纳米片(或称为“类石墨烯多孔碳纳米片”，或为“GPCNs”)是指以生物质碳作为基本骨架、具有多孔超薄片状结构的新型二维材料。这类材料通常具有类石墨烯的超薄二维片状结构、发达的孔隙、高的比表面积、与石墨烯相当的导电性、良好的物理和化学稳定性等优点，使其在多相催化、生物传感、气体吸附与分离以及储能等很多领域具有较强的应用潜力。

与传统的块状生物多孔碳材料相比，二维生物质多孔碳纳米片由于具有与石墨烯类似的独特的二维结构及暴露在表面的活性位点，导致其具有较短的离子传输路径和较高的电子迁移率以及很高的导电性能，另一方面，独特的片层结构有利于提高材料的有效比表面积，从而使之在超级电容器和锂电池阳极的应用中表现出杰出的电化学性能。因此，为了满足需要，超薄的二维片状结构的构造是一种简单有效的改变碳材料电化学性能的方法。

目前，生物质多孔碳类石墨烯纳米片的制备方法主要有活化法和模版法。活化法是在高温下热解具有层状结构生物质前驱体，然后将碳化后的前驱体与化学活化剂(例如KOH、H₃PO₄、ZnCl₂)混合后高温活化。采用该方法制备过程繁琐，需要使用强腐蚀性的活化剂，导致成本增加，不利于工业化生产。模版法是使用模板(例如SiO₂、FeCl₃、蒙脱土等)作为模板或反应器，与含杂原子的生物质前驱体充分混合后进行高温热解。通过模板对碳纳米片的结构和尺寸进行精准调控。但是，一些特殊结构的模版制备过程复杂以及去除模版的过程繁琐，不利于碳纳米片的低成本生产。

暂未发现采用一串红花瓣为前驱体，通过封装保护策略制备生物质类石墨烯多孔碳纳米片的相关报道。

发明内容

针对现有技术中制备的生物质多孔碳类石墨烯纳米片需要采用化学格力活化，制备过程繁琐等问题，本发明采用新的生物质前驱体：一串红花瓣，通过封装保护策略制备生物质多孔类石墨烯碳纳米片。

与目前常用的活化法和模板法相比，该方法具有操作简单、环境友好、能耗低等显著优点。由于该方法不但避免了复杂的设备和化学活化的腐蚀性，而且封装剂可以回收循环利用，所以具有可扩展性和可持续性。与其他生物质(龙须草、玉兰花瓣、紫苏叶等)多孔碳相比，本发明制备的多孔碳纳米片具有类石墨烯的2D片状多孔结构，高的有效比表面积，短的离子传输路径和快速的电子迁移率。使其作为超级电容器电极时的倍率性能和循环寿命，与其他生物质多孔碳材料相比大幅提高。

根据本发明提供的第一种实施方案，提供一种一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片。

一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片，它是通过包括以下制备方法所制备的：首先将一串红花瓣洗净并干燥后粉碎，获得干燥的一串红粉末；然后将干燥的一串红粉末与封装剂的溶液混合均匀，蒸干水分，获得封装保护后的原料，再将封装保护后的原料进行碳化，获得一串红花瓣基类石墨烯多孔碳纳米片。

作为优选，所述封装剂为盐，优选封装剂为NaCl、KCl、CaCl₂中的一种或多种，更优选为NaCl或KCl。

作为优选，所述封装剂的溶液为封装剂的饱和溶液。