一種多孔納米碳薄片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多孔納米碳薄片，屬于電池材料技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著新能源材料的不斷發(fā)展以及對能源材料對導(dǎo)電碳材料需求的不斷增長，研究開發(fā)出價格低廉、性能優(yōu)越的碳材料具有重要的實(shí)用意義。由于碳材料具有良好的電子導(dǎo)電性和機(jī)械性能，因此其作為理想的功能材料得到廣泛的應(yīng)用。除此之外，碳材料還具有可塑造型強(qiáng)、合成工藝種類繁多等特點(diǎn)。
[0003]電子設(shè)備及可移動設(shè)備的不斷發(fā)展，人們對其能量儲存提出了更高的要求。超級電容器、電極材料、催化領(lǐng)域等各方面對碳材料的需求不斷增加，對碳材料的品質(zhì)的要求也提出了更苛刻的要求。傳統(tǒng)的碳材料主要有零維的碳納米點(diǎn)、一維的碳納米管、二維的石墨烯、三維的碳納米陣列及球狀等特殊碳材料。
[0004]自納米碳纖維、富勒烯和碳納米管發(fā)現(xiàn)以來，人們對納米碳材料的關(guān)注熱點(diǎn)大多主要集中于零維和一維納米碳材料，然而二維納米碳材料的研究仍然較少。二維納米碳材料是指在空間范圍僅有一維處于納米尺度范圍內(nèi)的碳納米材料。在二維納米碳材料的研究中，主要的關(guān)注點(diǎn)也集中在具有層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯上，對其他的納米碳薄片的研究仍然存在很多不足。二維納米碳薄片在量子限域、機(jī)械應(yīng)力、化學(xué)修飾、區(qū)域雜化等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。但目前二維碳材料的制備均一性較差，種類相對仍比較少。
[0005]針對上述問題，確有必要研究一種性能優(yōu)異，均一性好的納米碳薄片，以提高其在材料領(lǐng)域的多方面性能。Zhao等通過化學(xué)氣相沉積方法合成了納米碳薄片(Zhao ,Meng-Qiang，et al/,Unstacked double-layer templated graphene for high-rate lithium-sulphur batteries."Nature communicat1ns 5，2014.) D但是這種制備方法過程繁瑣，需要用到還原性危險氣體，且不利于大規(guī)模制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的之一在于提供一種多孔納米碳薄片(ICPs)，所述碳薄片通過金屬升華與碳源直接碳化的同步固相反應(yīng)制備得到，所述碳薄片具有豐富的微孔和介孔，為三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度在50nm以下?？捎糜谧鲭x子電池的負(fù)極、超級電容器電極材料及電極的導(dǎo)電碳材料等。
[0007]本發(fā)明的目的是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0008]—種多孔納米碳薄片，所述碳薄片具有豐富的微孔和介孔，為三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度< 50nm;所述碳薄片通過以下方法制備得到:
[0009]將金屬單質(zhì)和碳源混合球磨，所得混合物在無氧無水的真空密閉環(huán)境、450°C?600 °C條件下反應(yīng)4h?24h得到反應(yīng)產(chǎn)物，取反應(yīng)產(chǎn)物中上層疏松部分進(jìn)行球磨，球磨后得到的物質(zhì)先用過量稀鹽酸清洗至無氣泡產(chǎn)生，再用水清洗至PH為中性，然后在80°C?120°C下干燥6h以上，得到黑色粉末即所述多孔納米碳薄片；
[0010]金屬單質(zhì)為鋅和/或鎂;碳源為葡萄糖和/或蔗糖。
[0011]優(yōu)選金屬單質(zhì)與碳源的質(zhì)量比為1:1?1:6。
[0012]無氧無水的真空密閉環(huán)境可采用將混合物置于惰性氣體的手套箱中密封于高壓釜中，隨后對高壓釜進(jìn)行抽真空至0.1MPa以下實(shí)現(xiàn)；
[0013]所述高壓釜可采用不銹鋼高壓釜；
[0014]加熱可采用電爐加熱；
[0015]優(yōu)選球磨的速度為200rpm?600rpm，球磨2h?8h。
[0016]優(yōu)選稀鹽酸的濃度0.0lM?0.2M。
[0017]優(yōu)選水的純度為去離子水純度以上。
[0018]有益效果
[0019]1.本發(fā)明提供了一種多孔納米碳薄片，所述的碳薄片具有豐富的微孔和介孔，為三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，厚度<50nm;可用做離子電池的負(fù)極、超級電容器電極材料及電極的導(dǎo)電碳材料等，尤其適用作為鋰硫電池正極材料的骨架使用，對活性材料進(jìn)行限域，抑制“飛梭效應(yīng)”，保證了正極材料良好的導(dǎo)電性及集流效果；
[0020]2.本發(fā)明提供了一種多孔納米碳薄片的制備方法，所述方法簡單，成本低廉，綠色環(huán)保，易于實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0021]圖1為實(shí)施例1制得的多孔納米碳薄片的原子力顯微鏡(AFM)圖。
[0022]圖2為實(shí)施例1制得的多孔納米碳薄片的透射電子顯微鏡(TEM)圖。
[0023]圖3為實(shí)施例6制得的多孔納米碳薄片作為鋰硫電池正極材料導(dǎo)電添加劑的循環(huán)性能圖。
[0024]圖4為實(shí)施例7制得的多孔納米碳薄片作為鋰離子電池負(fù)極材料的循環(huán)性能圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的闡述，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。
[0026]對以下實(shí)施例制得的多孔納米碳薄片、鋰硫電池正極材料和鋰硫電池分別進(jìn)行測試如下:
[0027](I)原子力顯微鏡(AFM)測試:原子力顯微鏡的儀器型號為布魯克的Dimens1nFastScan，美國；測試樣品及制備方法:將所述多孔納米碳薄片分散于云母片上制成樣品烘干，進(jìn)行AFM的測試；
[0028](2)透射電子顯微鏡(TEM)測試:透射電子顯微鏡的型號為JEM-2100F，200kV，日本;測試樣品及制備方法:將所述鋰硫電池正極材料分散于無水乙醇中，滴在透射電子顯微鏡的微柵上烘干，進(jìn)行TEM測試；
[0029](3)鋰硫電池循環(huán)性能測試:使用儀器型號為Land，武漢，測試參數(shù):充放電電壓I.8V?2.6V，充放倍率:0.IC，充放電溫度:30。。。
[0030](4)鋰離子電池負(fù)極循環(huán)性能測試:使用儀器型號為Land，武漢，測試參數(shù):充放電電壓0.005V?3V，充放倍率:200mA/g，充放電溫度:30°C。
[0031]實(shí)施例1
[0032]將1.15g鋅和3.9g鹿糖混合球磨，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨6h，所得混合物在充滿惰性氣體的手套箱中密封于不銹鋼高壓釜中，隨后對所述高壓釜抽真空至0.1MPa以下;將所述高壓釜用電爐加熱至550°C，反應(yīng)Sh后自然冷卻至室溫，得到反應(yīng)產(chǎn)物，取反應(yīng)產(chǎn)物上層疏松的部分在300rpm的轉(zhuǎn)速下球磨6h，球磨后得到的物質(zhì)先用濃度為0.1M的稀鹽酸清洗至無氣泡產(chǎn)生，再用去離子水清洗至PH為中性，在100°C下干燥10h，得到多孔納米碳薄片。
[0033]對本實(shí)施例制得的多孔納米碳薄片進(jìn)行測試，結(jié)果如下:
[0034](I)原子力顯微鏡測試:
[0035]測試結(jié)果如圖1所示，其中，左圖為多孔納米碳薄片的原子力顯微鏡圖，右圖為左圖中虛線位置的對應(yīng)高度圖，由圖1可知，所述的多孔納米碳薄片的厚度為30nm。
[0036](2)透射電子顯微鏡測試:
[0037]測試結(jié)果如圖2所示，多孔納米碳薄片的孔徑為Inm?10nm，呈三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0038]實(shí)施例2
[0039](I)將1.15g鎂和3.9g蔗糖混合球磨，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨6h，所得混合物在充滿惰性氣體的手套箱中密封于不銹鋼高壓釜中，隨后對所述高壓釜抽真空至0.1MPa以下;將所述高壓釜用電爐加熱至550°C，反應(yīng)Sh后自然冷卻至室溫，得到反應(yīng)產(chǎn)物，取反應(yīng)產(chǎn)物上層疏松的部分在300rpm轉(zhuǎn)速下球磨6h，球磨后得到的物質(zhì)先用濃度為0.1M的稀鹽酸清洗至無氣泡產(chǎn)生，再用去離子水清洗至PH為中性，在100°C下干燥10h，得到多孔納米碳薄片。
[0040]對本實(shí)施例制得的多孔納米碳薄片進(jìn)行測試，結(jié)果如下:
[0041](I)原子力顯微鏡測試:
[0042]測試結(jié)果與圖1結(jié)果類似，可知所述多孔納米碳薄片的厚度為32nm。
[0043](2)透射電子顯微鏡測試:
[0044]測試結(jié)果如圖2類似，可知多孔納米碳薄片的孔徑為Inm?20nm，呈三維連通網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
[0045]實(shí)施例3
[0046](I)將1.15g鋅和3.9g葡萄糖混合球磨，球料比為10:1，轉(zhuǎn)速為300rpm，球磨6h，所得混合物在充滿惰性氣體的手套箱中密封于不銹鋼高壓釜中，隨后對所述高壓釜抽真空至0.1MPa以下;將所述高壓釜