一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，包括以下步驟：以纖維素和尿素、氰胺或者氰酸為原料，將纖維素和尿素、氰胺或者氰酸按質(zhì)量比100∶1～1∶1000混合，然后置于氮氣的保護下煅燒，控制煅燒溫度范圍為700℃～1200℃，最后自然冷卻降溫即可得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明工藝簡單，綠色安全且成本低，可實現(xiàn)規(guī)模連續(xù)化生產(chǎn)。該產(chǎn)品在催化，能量儲存，光電器件和傳感器等眾多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
【專利說明】一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于非金屬碳納米復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，尤其涉及一種通過碳-碳鍵連接高度整合的碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]日漸枯竭的化石能源和日趨嚴重的環(huán)境污染嚴重威脅著人類的生存與發(fā)展，尋找和發(fā)展替代化石能源的可再生綠色能源成為國內(nèi)外能源利用和材料科學(xué)研究的熱點。作為現(xiàn)有能源體系的替代，太陽能的轉(zhuǎn)化利用一直是近幾十年科學(xué)研究的重點方向。太陽能作為一種綠色能源，可以通過光解水、光合成、生物資源光再生等方式轉(zhuǎn)變成可直接利用的能源(包括電能和化學(xué)能)；而這些技術(shù)都依賴于催化劑本身的性能及制備成本。另外，與能源相關(guān)的能量存儲技術(shù)，如鋰離子電池、電化學(xué)(超級)電容器、燃料電池以及儲氫材料等，也離不開相關(guān)功能材料的開發(fā)。宏量制備廉價且有效的熱催化劑、光催化劑和電化學(xué)器件中的電極材料一直是上述諸多領(lǐng)域的重要研究目標(biāo)。碳材料作為一種自然界分布非常廣泛的材料，由于其成本低廉，且物理化學(xué)性質(zhì)和物質(zhì)形態(tài)非常豐富(涵蓋從導(dǎo)體，半導(dǎo)體到絕緣體)并具有極佳的穩(wěn)定性，在催化、光催化、電催化等領(lǐng)域都表現(xiàn)出巨大的潛力。
[0003]在諸多碳材料中，二維石墨烯作為一種新型的碳納米材料以其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和力學(xué)性能在不同領(lǐng)域中表現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。特別是具有高電導(dǎo)率、高導(dǎo)熱性、超大的比表面積、獨特的電荷載流予遷移率和高的透光率等特性的石墨烯材料在綠色能源領(lǐng)域中表現(xiàn)出非常好的應(yīng)用前景。但是如何有效地調(diào)控和改善石墨烯的結(jié)構(gòu)與功能，使其能夠滿足對高性能催化材料的需要是當(dāng)前石墨烯基催化劑研究所面臨的主要問題。由sp2雜化的單層碳原子緊密堆積形成的二維蜂窩狀完美石墨烯結(jié)構(gòu)不具備催化活性中心，人們通常采用雜原子(以N為代表)摻雜的方式改善其催化活性，摻雜的N原子會影響C原子的自旋密度和電荷分布，導(dǎo)致石墨烯表面產(chǎn)生“活性位點”，這些活性位點可以直接參與催化反應(yīng)。然而，N原子摻雜在單層石墨烯中，其費米能級移動到狄拉克點之上，導(dǎo)帶和價帶之間的帶隙被打開，這勢必會影響其原本的準金屬特性即高效的電子傳輸性能。因此如何在保證石墨烯基催化劑具有良好導(dǎo)電性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，發(fā)揮其最大的催化活性無疑是對研究者們的一大挑戰(zhàn)。
[0004]作為最薄的二維材料，柔性的石墨烯本身結(jié)構(gòu)并不穩(wěn)定，極傾向于層層之間團聚形成石墨結(jié)構(gòu)，致密的石墨結(jié)構(gòu)勢必會導(dǎo)致石墨烯片層內(nèi)部缺陷形成的催化活性位點被掩埋，造成催化活性位點成倍下降。團聚的石墨烯片層間距減小，直接阻礙了催化反應(yīng)物質(zhì)進入層間在其中的活性位點處發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致催化性能明顯降低。比較合理的解決方案是在石墨片層中引入介觀孔結(jié)構(gòu)，增進層間的物質(zhì)傳輸；或者通過引入石墨碳納米結(jié)構(gòu)與石墨烯復(fù)合，改變石墨烯原本的二維層層排布方式，構(gòu)建石墨碳納米結(jié)構(gòu)-石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。石墨烯復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)建會明顯降低石墨烯材料的界面電阻，有利于石墨烯或類石墨材料在催化領(lǐng)域特別是電催化和光電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種通過碳-碳鍵高度整合的碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn):一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:以纖維素和尿素、氰胺或者氰酸為原料，將纖維素和尿素、氰胺或者氰酸按質(zhì)量比100:1?1: 1000混合，然后置于氮氣的保護下煅燒，控制煅燒溫度范圍為700°c?1200°c，最后自然冷卻降溫即可得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0007]所述的纖維素是細菌纖維素，半纖維素，木質(zhì)素或果膠。
[0008]所述的尿素、氰胺或者氰酸是尿素，單氰胺，雙氰胺，三聚氰胺或三聚氰酸。
[0009]所述的纖維素與尿素、氰胺或者氰酸的質(zhì)量比為1: 20。
[0010]所述的煅燒溫度為1000°C。
[0011]石墨烯沿碳纖維兩側(cè)生長，形成同軸復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的石墨烯厚度為0.34?13nm。
[0013]所述的碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料中碳納米線粗細為I?500nm。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)特點是，以纖維素和尿素、氰胺或者氰酸為原料，原位碳化形成石墨碳纖維軸向復(fù)合氮摻雜石墨烯片層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，具有工藝簡單，易于控制，綠色安全，并且可實現(xiàn)宏量制備。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的透射電鏡照片。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
[0017]實施例1:
[0018]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，細菌纖維素和尿素原位碳化形成石墨碳纖維軸向復(fù)合氮摻雜石墨烯片層結(jié)構(gòu)(如圖1所示)，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料，產(chǎn)物中石墨烯厚度為0.34?13nm，碳納米線粗細為I?500nm。
[0019]實施例2:
[0020]控制半纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將半纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0021]實施例3:
[0022]控制木質(zhì)素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將木質(zhì)素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0023]實施例4:
[0024]控制果膠和尿素的質(zhì)量比1: 20，將果膠和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。[0025]實施例5:
[0026]控制細菌纖維素和單氰胺的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和單氰胺混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0027]實施例6:
[0028]控制細菌纖維素和雙氰胺的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和雙氰胺混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0029]實施例7:
[0030]控制細菌纖維素和三聚氰胺的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和三聚氰胺混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0031]實施例8:
[0032]控制細菌纖維素和三聚氰酸的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和三聚氰酸混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0033]實施例9:
[0034]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1500°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0035]實施例10:
[0036]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1250°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0037]實施例11:
[0038]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，900°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0039]實施例12:
[0040]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 20，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，800°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0041]實施例13:
[0042]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比100: 1，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0043]實施例14:
[0044]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比10: 1，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0045]實施例15:
[0046]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 1，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°C煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0047]實施例16:
[0048]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 10，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
[0049]實施例17:
[0050]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 100，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。[0051]實施例18:
[0052]控制細菌纖維素和尿素的質(zhì)量比1: 1000，將細菌纖維素和尿素混合置于氮氣保護的馬弗爐中，1000°c煅燒，最后自然冷卻得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
【權(quán)利要求】
1.一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:以纖維素和尿素、氰胺或者氰酸為原料，將纖維素和尿素、氰胺或者氰酸按質(zhì)量比100:1?1: 1000混合，然后置于氮氣的保護下煅燒，控制煅燒溫度范圍為700°C?1200°C，最后自然冷卻降溫即可得到碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的纖維素是細菌纖維素，半纖維素，木質(zhì)素或果膠。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的尿素、氰胺或者氰酸是尿素，單氰胺，雙氰胺，三聚氰胺或三聚氰酸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的纖維素與尿素、氰胺或者氰酸的質(zhì)量比為1: 20。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的煅燒溫度為1000°c。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，石墨烯沿碳纖維兩側(cè)生長，形成同軸復(fù)合結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的石墨烯厚度為0.34?13nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料的制備方法，其特征在于，所述的碳纖維與石墨烯軸向復(fù)合納米材料中碳納米線粗細為I?500nm。
【文檔編號】B01J21/18GK103949237SQ201410198033
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】李新昊, 葉天南, 呂利冰, 蘇娟, 陳接勝 申請人:上海交通大學(xué)