[发明专利]制备氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片的方法

说明书

本发明提供了一种制备氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片的方法，包括以下步骤：将柠檬酸钾置于保护气氛中，在900～1000℃下热解碳化，然后洗涤、干燥，即得所述氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片；所述三维多孔超薄碳纳米片的氧元素含量为5～6at％，厚度19～23nm。该方法以柠檬酸钾为原料，可快速制备三维多孔超薄碳纳米片，且得到的碳纳米片比表面积高。

技术领域

本发明涉及多维碳材料制备技术领域，更具体地，涉及一种制备氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片的方法。

背景技术

碳材料由于优异的导电性、导热及力学性能近年来备受重视。许多具有新型纳米结构的碳基材料已被发现，如碳量子点(CQDs)、碳纳米球、碳纳米纤维、碳纳米管、碳纳米片、石墨烯和富勒烯，它们被广泛应用于生物传感器、催化剂、可再生能源存储等领域。以生物质、煤和高分子聚合物等不同材料作为前驱体，通过不同合成方式合成多维多孔碳材料。化学活化仍然是制备高比表面积多孔碳的标准方法，但其具有材料脱功能化和化学蚀刻造成的质量损失等缺点。目前多维多孔碳材料的制备方法复杂，比表面积较低，且层间距较小，大大的限制了它在储能领域的大规模应用。杂原子掺杂能够显著提高碳材料的导电性，大大提高碳材料的比表面积，及在一定程度上扩大其层间距和丰富其表面官能团的种类，从而提高其电化学性能和催化活性。

目前制备多维多孔碳材料的方法主要有电弧放电法，激光消融法，化学气相沉积法，电子束辐射法等方法。根据所使用的前驱体的不同，纳米树、纳米带、纳米片、纳米胶囊等形状的多维碳材料已经被成功制备。这些方法大都反应复杂，在溶剂中反应，且需要分几步完成，比表面积低且不能够有效调控，层间距小，并且由于含碳前驱体的问题，所制备的碳包覆的材料基本不能够掺杂杂原子，其导电性需要进一步提升。由于碳材料的制备过程分成多步，过程复杂且不可控，制备成本高，这极大的限制了它的大批量生产和在其他各个方面的实际应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种工艺简单、周期短的制备三维多孔超薄碳纳米片的方法，该方法以柠檬酸钾为原料，可快速制备三维多孔超薄碳纳米片，且得到的碳纳米片比表面积高。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

制备氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片的方法，包括以下步骤：

将柠檬酸钾置于保护气氛中，在900～1000℃下(即900℃≤碳化温度＜1000℃)热解碳化，然后洗涤、干燥，即得所述氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片；所述三维多孔超薄碳纳米片的氧元素含量为5～6at％，厚度19～23nm。

上述技术方案中，可以先将柠檬酸钾经物理研磨使晶体颗粒细化后再进行热解碳化。

本发明的三维多孔超薄碳纳米片的制备过程以有机小分子柠檬酸钾作为前驱体，在惰性气氛条件下，柠檬酸钾快速分解失去结晶水并且生成相应的碳酸钾和碳基质，产生的碳酸钾紧紧包裹着碳基质，起到模板剂的作用，在高温条件下，碳基质直接生成非石墨化的硬碳，同时碱金属碳酸盐进行分解生成碱金属氧化物和二氧化碳，二氧化碳排出使硬碳具备多孔结构，因此能够得到具有高比表面积，且同时具有分级多孔结构的氧原子掺杂的三维多孔超薄碳纳米片材料。

在一些实施方式中，碳化温度为900～950℃。

在一些实施方式中，以1～10℃/min的速率升温至900～1000℃。

在一些实施方式中，碳化时间为0.5～4h；优选的，所述碳化时间为1～3h。

在一些实施方式中，所述惰性气氛为氩气气氛、氦气气氛或氮气气氛中的一种。

在一些实施方式中，所述三维多孔超薄碳纳米片包括微孔和介孔，并具有分级多孔结构。

在一些实施方式中，热解碳化后得到的产物经去离子水和/或酸洗涤、真空干燥，得到所述三维多孔超薄碳纳米片。