一种碳材料、其制备方法和应用与流程

1.本技术涉及一种碳材料、其制备方法和应用，属于化学材料领域。


背景技术：

2.碳的石墨化始于人造石墨的制造，是重要的工业技术分支，也是碳材料研究的中心论题，早已进行了大量研究。石墨化这个术语，广义而言，是固体碳经2000℃以上高温处理的过程；与结构联系起来，应认为是碳的乱层结构部分或全部转变为石墨结构的一种结晶化过程。但是石墨化不同于一般结晶化中所看到的晶核生成-成长理论；石墨化作为一种现象，通过结构缺陷的缓解而成为一种近似退火韧化的现象。
3.化学气相沉积技术(cvd)主要是利用含有薄膜元素的一种或几种气相化合物或单质、在衬底表面上进行化学反应生成薄膜。化学气相淀积是近几十年发展起来的制备无机材料的新技术。化学气相淀积法已经广泛用于提纯物质、研制新晶体、淀积各种单晶、多晶或玻璃态无机薄膜材料。


技术实现要素：

4.根据本技术的第一方面，提供了一种碳材料的制备方法。通过该制备方法制备得到的碳材料具有较大的比表面积，同时还用较好的导电性。
5.所述碳材料的制备方法，包括：a)获得层状双羟基化合物模板材料；b)在反应设备中通过化学气相沉积法在所述层状双羟基化合物模板材料的表面生长碳层；c)去除所述层状双羟基化合物模板材料，得到所述碳材料。
6.可选地，步骤a)包括以下步骤：使含有金属盐和尿素的混合溶液反应，制备得到所述层状双羟基化合物模板材料。
7.可选地，所述金属盐包括镁盐、铝盐、镍盐和钴盐中的至少一种。
8.可选地，所述金属盐包括金属硝酸盐、金属碳酸盐中的至少一种。
9.可选地，所述金属盐为镁盐和铝盐；所述镁盐包括水合硝酸镁；所述铝盐包括水合硝酸铝；所述镁盐、所述铝盐和所述尿素的摩尔浓度之比为：1～4:1:10～20。
10.可选地，所述含有金属盐和尿素的混合溶液的溶剂为水、甲醇、乙醇、乙二醇中的一种或多种的组合。
11.可选地，步骤a)中，所述反应为水热反应；所述水热反应的反应温度为100～200℃；所述水热反应的反应时间为4～10h。
12.可选地，所述层状双羟基化合物模板材料为含有mg元素和al元素的层状双羟基化合物。
13.可选地，所述层状双羟基化合物模板材料的颗粒呈花状；所述层状双羟基化合物模板材料的颗粒粒径大小介于1～2μm的范围内。
14.可选地，步骤a)还包括反应后对层状双羟基化合物模板材料进行分离、干燥；所述干燥包括冷冻干燥、真空干燥、鼓风干燥中的一种或多种的组合。
15.可选地，所述化学气相沉积法中，反应原料包括：碳源和还原剂。
16.可选地，所述碳源包括甲烷、乙炔、乙烯烃和乙醇中的至少一种；所述还原剂包括氢气。
17.可选地，所述化学气相沉积法中化学气相沉积的沉积温度为900～1000℃；通气时间为5～20分钟。
18.可选地，化学气相沉积过程中，碳源的气流量为阈洗值；还原剂的气流量为80～100sccm。
19.可选地，所述反应设备中含有非活性气体；所述非活性气体的气流量为200～300sccm；所述非活性气体包括氩气或氮气中的至少一种。
20.可选地，步骤c)中，通过湿法刻蚀去除所述层状双羟基化合物模板材料。
21.可选地，所述湿法蚀刻所用蚀刻剂包括碱性溶液或酸性溶液中的至少一种；所述湿法蚀刻的蚀刻时间为：2～24h。
22.可选地，所述碱性溶液的浓度为5～15mol/l；所述碱性溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的至少一种。
23.可选地，所述酸性溶液的浓度为10～15mol/l；所述酸性溶液选自盐酸溶液、硝酸溶液、磷酸溶液或硫酸溶液中的至少一种。
24.可选地，步骤c)包括：将步骤b)中生长有碳层的层状双羟基化合物模板材料置于碱性溶液中，50～100℃恒温保持4～8小时，离心、洗涤后置于酸性溶液中去除所述层状双羟基化合物模板材料，离心、干燥后得到所述碳材料。
25.可选地，所述碱性溶液为10mol/l的氢氧化钠溶液；所述酸性溶液为浓盐酸。
26.可选地，所述碳材料为石墨化碳材料，所述石墨化碳材料的颗粒呈花状；所述石墨化碳材料的颗粒粒径大小介于1～2μm的范围内；所述石墨化碳材料的比表面积为1000m2·
g-1
～1100m2·
g-1
。
27.作为一种具体实施方式，一种花状碳材料的制备方法包括：将镁盐和铝盐与尿素溶于溶剂中通过水热反应制备模板材料，采用化学气相沉积法在所述模板表面长碳，采用湿法化学去除模板制备花状碳材料。
28.所述镁盐和铝盐主要为水合硝酸镁盐水合硝酸镁盐和水合硝酸铝盐。
29.所述水热反应的溶剂为去离子水，乙二醇等中的一种或多种。
30.所述水热反应的条件为160℃，6h。
31.所述模板材料采用冷冻干燥，真空干燥，鼓风干燥等中的一种或多种所述长碳方法为化学气相沉积法在其表面长石墨化碳层。
32.石墨化碳花材料采用化学气相沉积法，石墨化碳膜层所用碳源为：甲烷、乙炔、乙烯烃和乙醇中的至少一种；
33.所述石墨化碳材料制备方法采用化学湿法除去所述膜层材料中的模板相材料。
34.所述湿法蚀刻处理时间为：2～24h；所述湿法蚀刻所用蚀刻剂为：氢氧化钠、盐酸溶液中的至少一种。
35.根据本技术的第二方面，提供了根据本技术的第一方面所述的制备方法制备得的碳材料。
36.根据本技术的第三方面，提供了根据本技术的第一方面所述的制备方法制备得的
碳材料，本技术第二方面所述的碳材料在能源、催化或高分子复合材料领域中的应用。
37.在本技术中，室温是指15～35℃。
38.本技术能产生的有益效果包括：
39.1)本技术提供了一种碳材料的制备方法，特别是一种花状石墨化碳材料的制备方法，该制备方法主要以mg-al ldh(层状双羟基化合物)为模板制备花状材材料，采用化学气相沉积(cvd)法生长碳层；采用化学湿法除去模板制备花状碳材料，该制备工艺简单，原料廉价易得，所得花状石墨化碳材料具有较大的比表面积、较高的孔隙率、较好的导电性和均一稳定的结构。
40.2)在本技术提供的制备方法中，使用具有大的表面积、阴离子交换能力强、稳定性好的层状双羟基化合物(ldhs)为模板制备的碳材料结合了碳材料和层状双羟基化合物的优点，可以有效地提高石墨化碳材料的电化学性质。
41.3)本技术提供的石墨化碳材料由于其具有良好的表面可修饰性、电导率和力学强度，可被广泛的应用于能源、催化和高分子复合材料等领域。
42.4)在本技术提供的制备方法通过水热反应制备模板材料，水热合成方法工艺简单；采用化学气相沉积(cvd)法生长碳层，通过控制碳源的气流量以及通气时间，可以控制碳层的厚度。
附图说明
43.图1为根据本技术实施例1制备的花状碳材料的sem。
44.图2为根据本技术实施例1制备的花状碳材料的xrd图。
45.图3为根据本技术实施例1制备的花状碳材料的吸附曲线。
46.图4为根据本技术实施例1制备的模板材料的sem。
具体实施方式
47.下面结合实施例详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
48.如无特别说明，本技术的实施例中的催化剂均通过商业途径购买。
49.本技术的实施例中分析方法如下：
50.通过美国fei公司sirion200场发射扫描电镜热场对碳材料进行sem分析。
51.通过美国麦克仪器公司的比表面积孔隙分析仪(型号：asap 2020m型)测定碳材料的孔隙率。
52.通过美国麦克仪器公司的比表面积孔隙分析仪(型号：asap 2020m型)测定碳材料的比表面积。
53.通过德国布鲁克公司/bruker axs的x射线衍射仪(型号：d8 advance)获得碳材料的xrd图。
54.实施例1
55.1、mg-al ldh模板的制备：取5.12克六水合硝酸镁，3.75克九水合硝酸铝，9.00克尿素溶于80ml乙二醇水溶液中(乙二醇与水体积比为9:1)；在室温下搅拌0.5小时至固体全部溶解，随后将溶液转移至100ml反应釜中，反应条件为160℃，6小时。反应后的溶液以6000转/分钟的离心速率，离心10分钟，之后分别水洗和乙醇洗三次即可得到mg-al ldh沉淀。采
用冷冻干燥方法得到干燥mg-al ldh粉末，mg-al ldh粉末的颗粒平均直径为1.5μm。
56.2、采用化学气相沉积法生长碳：将制备的mg-al ldh粉末置于管式炉中，950℃通甲烷和氢气的混合气体10分钟，其中氢气的气流量为90sccm，甲烷的气流量为阈洗值。在整个cvd过程中氩气的气流量为250sccm。
57.3、化学湿法去除模板：将化学沉积法制备的c-mg-al ldh浸于10mol/l的naoh溶液中，在60℃烘箱中保温6小时，之后离心、洗涤，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，采用去离子水洗涤，洗涤3次；然后将洗涤后产物置于浓盐酸中去除模板。最后得到的样品离心、干燥即可，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，干燥温度为60℃，干燥时间为12小时。
58.实施例2
59.1、mg-al ldh模板的制备：取2.56克六水合硝酸镁，3.75克九水合硝酸铝，6.00克尿素溶于80ml水中；在室温下搅拌0.5小时至固体全部溶解，随后将溶液转移至100ml反应釜中，反应条件为100℃，10小时。反应后的溶液以6000转/分钟的离心速率，离心10分钟，之后分别水洗和乙醇洗三次即可得到mg-al ldh沉淀。采用冷冻干燥方法得到干燥mg-al ldh粉末，mg-al ldh粉末的颗粒平均直径为1-2微米。
60.2、采用化学气相沉积法生长碳：将制备的mg-al ldh粉末置于管式炉中，1000℃通甲烷和氢气的混合气体5分钟，其中氢气的气流量为80sccm，甲烷的气流量为阈洗值。在整个cvd过程中氩气的气流量为300sccm。
61.3、化学湿法去除模板：将化学沉积法制备的c-mg-al ldh浸于5mol/l的naoh溶液中，在50℃烘箱中保温8小时，之后离心、洗涤，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，采用去离子水洗涤，洗涤3次；然后将洗涤后产物置于浓盐酸中去除模板。最后得到的样品离心、干燥即可，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，干燥温度为60℃，干燥时间为12小时。
62.实施例3
63.1、mg-al ldh模板的制备：取10.24克六水合硝酸镁，3.75克九水合硝酸铝，12.00克尿素溶于80ml乙二醇中；在室温下搅拌0.5小时至固体全部溶解，随后将溶液转移至100ml反应釜中，反应条件为200℃，4小时。反应后的溶液以6000转/分钟的离心速率，离心10分钟，之后分别水洗和乙醇洗三次即可得到mg-al ldh沉淀。采用冷冻干燥方法得到干燥mg-al ldh粉末，mg-al ldh粉末的颗粒平均直径为1-2微米。
64.2、采用化学气相沉积法生长碳：将制备的mg-al ldh粉末置于管式炉中，900℃通乙烯和氢气的混合气体20分钟，其中氢气的气流量为100sccm，乙烯的气流量为阈洗值。在整个cvd过程中氩气的气流量为200sccm。
65.3、化学湿法去除模板：将化学沉积法制备的c-mg-al ldh浸于15mol/l的koh溶液中，在100℃烘箱中保温4小时，之后离心、洗涤，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，采用去离子水洗涤，洗涤3次；然后将洗涤后产物置于浓盐酸中去除模板。最后得到的样品离心、干燥即可，其中离心速率为6000转/分钟，离心时间为10分钟，干燥温度为60℃，干燥时间为10小时。
66.产物分析：
67.以实施例1中制备的石墨化碳材料为典型代表，对产物进行分析。利用美国fei公
司sirion200场发射扫描电镜热场对实施例1中制备的模板材料和石墨化碳材料进行sem分析，石墨化碳材料的sem图如图1所示，由图1可以看出，制备得到的碳材料呈花状，并且花状碳材料的颗粒大小均匀，粒径直径均在1～2μm范围内；模板材料的sem图如图4所示，表明层状双羟基化合物模板材料的颗粒粒径大小介于1～2μm的范围内。
68.图2是本发明实施例1的石墨化碳材料的xrd图，由图2可以看出，该材料通过化学湿法去除模板材料，其组成为碳材料。
69.性能测试：
70.1)比表面积：利用氮气等温吸附脱附方法对实施例1～3制备的石墨化碳材料的比表面积进行测试，制备的花状石墨化碳材料的吸附曲线如图3，图3中示出了两条曲线，其中上方的曲线为吸附曲线，下方的曲线为脱附曲线，表明制备的碳材料为大孔材料，此材料的比表面积为1075m2·
g-1
71.以上所述，仅是本技术的几个实施例，并非对本技术做任何形式的限制，虽然本技术以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本技术，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本技术技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。