一種利用檸檬酸鈉規(guī)?；铣啥S類石墨烯炭材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及二維類石墨烯炭材料的合成技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用檸檬酸鈉規(guī)?；铣啥S的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料、類石墨烯炭材料、氮摻雜類石墨烯炭材料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨烯是厚度為一個(gè)原子層，具有二維晶體結(jié)構(gòu)的新材料。在石墨烯中，碳原子之間以s鍵連接，結(jié)合方式為SP2雜化，這些s鍵賦予了石墨烯高的機(jī)械強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性。除此之外每個(gè)碳原子都有一個(gè)未成鍵、可以在晶體中自由移動(dòng)的P電子，使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。石墨烯和類石墨烯由于具有良好的電子傳導(dǎo)性能和大的比表面積，在電容器、儲(chǔ)能、傳感器、催化等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，是一種具有巨大潛力的新型材料。目前石墨烯大多以石墨為原料，通過(guò)微機(jī)械剝離法、SiC熱解外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氧化還原法等方法制備。這些制備石墨烯的方法通常具有產(chǎn)率低、成本高、毒性大的缺點(diǎn)，無(wú)法滿足大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)的需求，在一定程度上制約了其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0003]專利CN 102951631B公開(kāi)了一種石墨烯的制備方法。該方法采用化學(xué)還原與微波還原相結(jié)合的方法制備石墨烯，首先將鋰的烷基衍生物與六氯化鎢加入有機(jī)溶劑中進(jìn)行反應(yīng)，再將氧化石墨烯的有機(jī)溶液加入到上述混合溶液中進(jìn)行還原反應(yīng)，得到石墨烯粗產(chǎn)物，將石墨烯粗產(chǎn)物經(jīng)過(guò)微波處理得到石墨烯。該發(fā)明方法缺點(diǎn)在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程用到的有機(jī)溶劑毒性較大，而且得到的石墨烯缺陷多，導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能相對(duì)較差。
[0004]專利CN 102976315 A公開(kāi)了一種微波輔助檸檬酸鈉還原制備石墨烯的方法。該方法利用微波處理，以檸檬酸鈉為還原劑還原氧化石墨制備石墨烯，其用量比例為氧化石墨
0.05?0.3g，檸檬酸鈉I?30g。但是，該發(fā)明專利只是以檸檬酸鈉為還原劑，其本質(zhì)還是利用還原氧化石墨的方法制備石墨烯，其操作過(guò)程復(fù)雜、成本高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)。
[0005]檸檬酸鈉是目前重要的檸檬酸鹽，具有安全無(wú)毒性、良好的生物降解性、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。本發(fā)明以檸檬酸鈉為炭源合成具有二維結(jié)構(gòu)的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料、類石墨烯炭材料、氮摻雜類石墨烯炭材料；其產(chǎn)物具有良好的電化學(xué)性能，且成本低廉、綠色環(huán)保、能夠大規(guī)模生產(chǎn)，可廣泛用于電容器、太陽(yáng)能電池和儲(chǔ)能等方面。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明目的在于提供一種利用檸檬酸鈉規(guī)?；铣啥S類石墨烯炭材料的方法。該方法以檸檬酸鈉為炭源規(guī)?；铣啥S的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料。為了進(jìn)一步提高炭材料的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在上述系統(tǒng)中加入石墨化催化劑，進(jìn)而得到高質(zhì)量的具有二維結(jié)構(gòu)的類石墨烯炭材料、氮摻雜類石墨烯炭材料。該方法生產(chǎn)成本低廉、操作工藝簡(jiǎn)單易行，是一種綠色環(huán)保、快速有效、能夠大規(guī)模合成二維的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料、類石墨稀炭材料、氮摻雜類石墨稀炭材料的方法。
[0007]本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題，采用如下技術(shù)方案:
[0008]利用檸檬酸鈉規(guī)?；铣啥S類石墨烯炭材料的方法，是按如下步驟進(jìn)行:
[0009]按配比稱取檸檬酸鈉、石墨化催化劑和氮摻雜劑為原料，混合并充分研磨；
[0010]將研磨后的原料在無(wú)氧環(huán)境下進(jìn)行炭化(即在惰性氣體氣氛進(jìn)行高溫煅燒);
[0011]將煅燒后產(chǎn)物經(jīng)過(guò)酸洗、水洗、烘干，即得到二維類石墨烯炭材料；
[0012]通過(guò)改變檸檬酸鈉、石墨化催化劑和氮摻雜劑的質(zhì)量比，改變所得產(chǎn)物二維類石墨烯炭材料的類型，得到具有二維結(jié)構(gòu)的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料、類石墨烯炭材料、或氮摻雜類石墨稀炭材料。
[0013]在上述步驟中，檸檬酸鈉、石墨化催化劑、氮摻雜劑的質(zhì)量比為I?10:0?10:0 ?20。
[0014]所述石墨化催化劑為金屬單質(zhì)、金屬氧化物、金屬氯化物、金屬硝酸鹽、金屬乙酸鹽、金屬碳酸鹽、金屬草酸鹽和金屬檸檬酸鹽中的至少一種。
[0015]所述金屬單質(zhì)為鎳、鈷或鐵；所述金屬氧化物為氧化鎳、氧化鈷或氧化鐵；所述金屬氯化物為氯化鎳、氯化鈷或氯化鐵；所述金屬硝酸鹽為硝酸鎳、硝酸鈷或硝酸鐵；所述金屬乙酸鹽為乙酸鎳、乙酸鈷或乙酸鐵；所述金屬碳酸鹽為碳酸鎳、碳酸鈷或碳酸鐵；所述金屬草酸鹽為草酸鎳、草酸鈷或草酸鐵；所述金屬檸檬酸鹽為檸檬酸鎳、檸檬酸鈷或檸檬酸鐵。
[0016]所述氮摻雜劑為三聚氰胺、氯化銨、咪唑、二苯肼、吡啶、多巴胺、乙二胺、氨基酸、噻吩、酞菁、六亞甲基四胺、尿素、聚吡啶、聚吡略、鄰菲羅啉和甲胺中的至少一種。
[0017]所述高溫煅燒的溫度為600?1000°C、時(shí)間為I?10h、升溫速率為4?30°C mirT
I
O
[0018]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0019]1、本發(fā)明所用的炭源為檸檬酸鈉，其價(jià)格低廉、安全無(wú)毒，能夠?qū)崿F(xiàn)綠色生產(chǎn)。
[0020]2、本發(fā)明合成的二維類石墨烯炭材料具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能，可廣泛用于超級(jí)電容、儲(chǔ)能、傳感器等方面。
[0021]3、本發(fā)明反應(yīng)周期短，易于操作，對(duì)反應(yīng)條件要求不高，可實(shí)現(xiàn)二維類石墨烯炭材料的規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1為本發(fā)明合成二維類石墨烯炭材料的工藝流程圖；
[0023]圖2為實(shí)施例1中得到的非晶炭材料的掃描電鏡圖；
[0024]圖3為實(shí)施例1中得到的非晶炭材料的X射線衍射圖；
[0025]圖4為實(shí)施例1中得到的非晶炭材料的在不同電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試的充放電圖。
[0026]圖5為實(shí)施例2中得到的氮摻雜非晶炭材料的掃描電鏡圖；
[0027]圖6為實(shí)施例9中得到的類石墨烯炭材料的X射線衍射圖；
[0028]圖7為實(shí)施例10中得到的類石墨烯炭材料的X射線衍射圖；
[0029]圖8為實(shí)施例11中得到的類石墨烯炭材料的X射線衍射圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的二維類石墨烯炭材料的合成方法做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]本發(fā)明提供了一種綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、反應(yīng)周期短、易于操作、對(duì)反應(yīng)條件要求較低的二維類石墨烯炭材料的合成方法。該二維類石墨烯炭材料的合成方法的工藝流程如圖1所示，具體包括如下步驟:
[0032]S1:稱取一定質(zhì)量比的檸檬酸鈉、石墨化催化劑和氮摻雜劑為原料，混合并充分研磨；
[0033]S2:將研磨后的原料在無(wú)氧環(huán)境下炭化，獲得二維類石墨烯炭材料粗產(chǎn)物；
[0034]S3:將所述二維類石墨稀炭材料粗產(chǎn)物純化，得到二維的類石墨稀炭材料樣品；
[0035]S4:干燥樣品，獲得二維類石墨稀炭材料。
[0036]通過(guò)改變檸檬酸鈉、石墨化催化劑和氮摻雜劑的質(zhì)量比，即可分別得到二維的非晶炭材料、氮摻雜非晶炭材料、類石墨稀炭材料、氮摻雜類石墨稀炭材料。
[0037]具體地，上述步驟SI中，檸檬酸鈉、石墨化催化劑、氮摻雜劑的質(zhì)量比為I?10:0 ?10:0 ?20。
[0038]所述石墨化催化劑為金屬單質(zhì)(鎳、鈷、鐵)、金屬氧化物(氧化鎳、氧化鈷、氧化鐵)、金屬氯化物(氯化鎳、氯化鈷、氯化鐵)、金屬硝酸鹽(硝酸鎳、硝酸鈷、硝酸鐵)、金屬乙酸鹽(乙酸鎳、乙酸鈷、乙酸鐵)、金屬碳酸鹽(碳酸鎳、碳酸鈷、碳酸鐵)、金屬草酸鹽(草酸鎳、草酸鈷、草酸鐵)和金屬檸檬酸鹽(檸檬酸鎳、檸檬酸鈷、檸檬酸鐵)中的至少一種。
[0039]所述氮摻雜劑為三聚氰胺、氯化銨、咪唑、二苯肼、吡啶、多巴胺、乙二胺、氨基酸、噻吩、酞菁、六亞甲基四胺、尿素、聚吡啶、聚吡略、鄰菲羅啉和甲胺中的至少一種。
[0040]上述步驟S2中，所述炭化的方法為:將研磨后的混合物轉(zhuǎn)移到水平管式爐的瓷舟中，在無(wú)氧環(huán)境下，將水平管式爐以一定的升溫速率加熱到反應(yīng)