一種多層片狀碳材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種多層片狀碳材料的制備方法，屬于無機(jī)非金屬材料制備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳，作為自然界中組成萬物的重要元素之一，由其所構(gòu)成的碳材料因其特有的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)而引起了廣大科研工作者的研宄興趣和關(guān)注。碳材料具備諸多優(yōu)異的特性，例如，良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、耐酸性、耐堿性以及高強(qiáng)度、低密度等，使其在航空航天、化學(xué)化工、能源機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)甚至軍事重工等眾多領(lǐng)域中均得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]眾所周知，碳元素具有多種同素異形體，其中包括人們?cè)缫咽熘氖?、金剛石、無定形碳，以及后來隨著科技進(jìn)步而發(fā)現(xiàn)的碳納米管、碳纖維、石墨烯等新型碳材料。雖然均為碳元素組成的純凈物，但是由于組織結(jié)構(gòu)上的不同，上述碳材料在性質(zhì)性能上表現(xiàn)出了巨大差異。例如，石墨是電的良導(dǎo)體，而金剛石卻表現(xiàn)為電的絕緣體；石墨是自然界最軟的材料，而金剛石的硬度卻非常高。由此可見，通過對(duì)碳材料的結(jié)構(gòu)形貌和存在狀態(tài)進(jìn)行有目的地主動(dòng)設(shè)計(jì)和有效實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而可以改變或改善碳材料某方面的性質(zhì)和性能，如碳材料的尺寸、密度、比表面積等。
[0004]在相同體積條件下，多層片狀結(jié)構(gòu)可以有效提高材料的比表面積，這一點(diǎn)特別符合超級(jí)電容器、鋰離子電池等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)﹄姌O材料的要求，因?yàn)楦弑缺砻娣e可以提高電極的反應(yīng)速率和效率。在利用多層片狀結(jié)構(gòu)碳材料制備的電極時(shí)，電解液可以進(jìn)入到片與片之間的空隙并發(fā)生電極反應(yīng)，切實(shí)有效地增大了反應(yīng)面積，離子或電子的交換反應(yīng)面積得到有效提高，使其具備了大電流充放電的能力。
[0005]化學(xué)氣相沉積法是一種工藝簡(jiǎn)單易操作，生產(chǎn)規(guī)模易擴(kuò)大和產(chǎn)物重復(fù)率高的碳材料常用制備方法，其主要工藝參數(shù)包括反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、升溫速率、碳源種類、載氣種類以及催化劑種類和形態(tài)。通過對(duì)工藝參數(shù)地有效控制，可以制備得到具有特定形貌和狀態(tài)的碳材料，該方法已經(jīng)在碳納米管、碳纖維甚至石墨烯等碳材料的制備領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。
[0006]在本申請(qǐng)中，采用了具有納米片狀結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷作為催化劑前驅(qū)體，根據(jù)其物理化學(xué)性質(zhì)，選取并設(shè)定化學(xué)氣相沉積法的反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，在不破壞其層狀結(jié)構(gòu)的前提下，制備得到了具有多層片狀結(jié)構(gòu)的碳材料。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]1、本發(fā)明涉及到一種多層片狀碳材料的制備方法，其特征在于該方法中，首先利用水熱法和后續(xù)高溫煅燒制備得到四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體，然后通過化學(xué)氣相沉積法，氫氣作為催化劑前驅(qū)體還原處理氣體，乙炔氣體作為碳源制備得到了具有多層片狀結(jié)構(gòu)的碳材料。在該制備過程中，操作簡(jiǎn)單，反應(yīng)條件溫和且易控制，包括如下主要步驟:
[0008](I)利用硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20)和尿素(CO (NH2) 2)，通過水熱法制備得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，得到了具有片狀結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體；
[0009](2)取適量四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體置于瓷舟中，并將其放入管式反應(yīng)爐的反應(yīng)管中；
[0010](3)對(duì)反應(yīng)管進(jìn)行抽真空，然后按照設(shè)定的升溫速率將反應(yīng)管由室溫升至反應(yīng)溫度；
[0011](4)將氫氣通入反應(yīng)管至大氣壓，對(duì)四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體進(jìn)行一定時(shí)間的高溫還原處理；
[0012](5)氫氣還原處理結(jié)束后，將氫氣抽掉，然后通入碳源氣體乙炔至大氣壓，并保持一定的反應(yīng)時(shí)間；
[0013](6)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)管內(nèi)的剩余氣體抽掉，并保持真空，待自然冷卻至室溫后，收集瓷舟里的廣物。
[0014]2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多層片狀碳材料的制備方法，其特征在于步驟(3)中的升溫速率設(shè)定范圍為3°C /min?10°C /min。
[0015]3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種多層片狀碳材料的制備方法，其特征在于步驟
(3)中設(shè)定的反應(yīng)溫度范圍為260°C?550°C。
[0016]4、根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種多層片狀碳材料的制備方法，其特征在于步驟(4)中，氫氣還原處理時(shí)間范圍為20min?40min。
[0017]5、根據(jù)權(quán)利要求1、2、3或4所述的一種多層片狀碳材料的制備方法，其特征在于步驟(5)中的反應(yīng)時(shí)間為20min?60min。
【附圖說明】
[0018]圖1為多層片狀碳材料的掃描電鏡二次電子照片，從圖中可以清晰地觀察到碳材料的片狀結(jié)構(gòu)，其厚度為150nm?300nm。
[0019]圖2為多層片狀碳材料的掃描電鏡背散射電子成分像照片，其中圖中較亮的部分為催化劑金屬鈷顆粒所在的位置，基本位于片狀碳材料的中心位置。
[0020]圖3為四氧化三鈷催化劑的XRD譜圖。根據(jù)對(duì)譜圖的分析，可以確定催化劑前驅(qū)體為四氧化三鈷(JCPDS 43-1003)，沒有其他衍射峰的出現(xiàn)，說明沒有其他雜質(zhì)存在。
[0021]圖4為多層片狀碳材料的XRD譜圖。由圖可以知道，多層片狀碳材料中的催化劑為金屬鈷(JCPDS 05-0727),2 Θ在20°?30°之間的彌散峰來自于具有無定形結(jié)構(gòu)的多層片狀碳材料。
【具體實(shí)施方式】
[0022]【具體實(shí)施方式】一:
[0023](I)利用硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20)和尿素(CO (NH2) 2)，通過水熱法制備得到具有片層結(jié)構(gòu)的中間產(chǎn)物，然后對(duì)其進(jìn)行高溫煅燒，得到了具有片狀結(jié)構(gòu)的四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體；
[0024](2)取適量四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體置于瓷舟中，并將其放入管式反應(yīng)爐的反應(yīng)管中；
[0025](3)對(duì)反應(yīng)管進(jìn)行抽真空，然后設(shè)定升溫速率為4°C /min，將反應(yīng)管由室溫升至反應(yīng)溫度300 °C ；
[0026](4)將氫氣通入反應(yīng)管至大氣壓，對(duì)四氧化三鈷催化劑前驅(qū)體進(jìn)行20min的高溫還原處理；
[0027](5)氫氣還原處理結(jié)束后，將氫氣抽掉，然后通入碳源氣體乙炔至大氣壓，并保持45min的反應(yīng)時(shí)間；
[0028](6)當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)管內(nèi)的剩余氣體抽掉，并保持真空，待自然冷卻至室溫后，收集瓷舟里的產(chǎn)物。
[0029]【具體實(shí)施方式】二:
[0030](I)利用硝酸鈷(Co (NO3) 2.6H20)和尿素(CO (NH2)