一種二維有序介孔碳骨架薄膜材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種二維有序介孔碳骨架薄膜材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]介孔碳材料具有很多特殊的性質(zhì)，具體體現(xiàn)在:與微孔材料相比，有較大的比表面積和孔體積，有連續(xù)規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu)，孔徑大小、孔壁厚度可調(diào)，骨架穩(wěn)定，水、熱穩(wěn)定性好以及表面易于被修飾。基于介孔碳結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的特點(diǎn)，可以將介孔碳材料應(yīng)用于化工、環(huán)保、生物醫(yī)藥、電、磁、儲能、傳感等領(lǐng)域，在吸附與分離，離子交換、以及儲氫功能材料、雙電層電容材料等方面有重要的應(yīng)用前景。
[0003]傳統(tǒng)制備有序的介孔碳骨架薄膜材料的方法有很多，包括硬模版法，軟模板法，熱解有機(jī)聚合物的前驅(qū)體，化學(xué)氣相沉積法，物理氣相沉積法以及電化學(xué)方法等。其中最常用的是化學(xué)氣相沉積法得到疏水的介孔碳膜。而硬模板法是向薄膜型的硬模板孔道里填充碳源，碳化后再將硬模板除掉即可得到介孔碳骨架薄膜材料。軟模板法多是選擇表面活性劑作為軟模板，通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)聚合物單體自組裝成有序的納米結(jié)構(gòu)，再使單體原位聚合、高溫碳化的同時(shí)，除去軟模板，即可得到高度有序的介孔碳薄膜。
[0004]本發(fā)明是將粒徑均勻的納米顆粒分散在有機(jī)溶劑中，首先通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)納米顆粒在不同基底上自組裝成有序的納米超晶格薄膜，高溫碳化納米顆粒表面的長鏈配體，其次在納米顆粒的表面鍍一層聚合物，最后刻蝕納米粒子和基底，便可得到由聚合物包覆的有序二維介孔碳骨架薄膜。本發(fā)明采用的納米顆粒為四氧化三鐵顆粒，具有超順磁性，可以應(yīng)用于藥物的靶向輸送，電磁記錄等方面。納米顆粒溶于有機(jī)溶劑，高溫碳化后可作為鋰離子電池的負(fù)極材料，電化學(xué)性質(zhì)測試優(yōu)異。而有序的二維介孔碳骨架薄膜在吸附、氣相分離、傳感器、超級電容器及電化學(xué)等領(lǐng)域有著較為廣闊的發(fā)展空間。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種二維有序介孔碳骨架薄膜材料的制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的二維有序介孔碳骨架薄膜材料的方法，通過溶劑揮發(fā)誘導(dǎo)納米顆粒在不同基底上自組裝成有序的納米超晶格二維薄膜，再將顆粒表面的有機(jī)分子高溫碳化獲得碳包覆的四氧化三鐵納米顆粒超晶格二維薄膜，在納米顆粒的表面鍍一層聚合物后，通過刻蝕將四氧化三鐵納米顆粒和基底除去以獲得有聚合物包覆高度有序的二維介孔碳骨架薄膜材料。本發(fā)明方法簡單，原料易得，成本較低，可以通過控制起始四氧化三鐵納米顆粒的粒徑及形貌對介孔碳骨架的尺寸進(jìn)行調(diào)控，改變自組裝的方法和濃度可以調(diào)控二維介孔碳骨架薄膜的厚度。具體步驟如下:
(I)以油酸鐵作為前驅(qū)體，油酸作為配體，采用高溫溶液法制備單分散的四氧化三鐵納米顆粒，納米顆粒表面由油酸分子所包覆;將上述納米顆粒溶于非極性溶劑中，形成穩(wěn)定的四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液； (2)控制四氧化三鐵納米顆粒膠體溶液的溶劑揮發(fā)速率，誘導(dǎo)納米顆粒在基底上自組裝，溶劑完全揮發(fā)后即得到高度有序的納米超晶格二維薄膜；
(3)將四氧化三鐵納米超晶格二維薄膜在惰性氣氛下高溫煅燒，碳化納米顆粒表面的油酸配體分子，得到碳包覆的四氧化三鐵納米超晶格二維薄膜材料；
(4)在碳包覆的四氧化三鐵納米顆粒超晶格薄膜表面鍍一層聚合物；
(5)將薄膜于特定環(huán)境下刻蝕，去除四氧化三鐵納米顆粒和基底，得到具有高比表面積、孔道結(jié)構(gòu)連續(xù)規(guī)則的二維介孔碳骨架薄膜材料。
[0007]本發(fā)明之輩的二維有序的介孔碳骨架薄膜可應(yīng)用于吸附與分離、傳感、儲能等領(lǐng)域。
[0008]本發(fā)明中，所述的高溫溶液法反應(yīng)溫度為280?320 °C，反應(yīng)時(shí)間為0.5?2小時(shí)；油酸的濃度為1.5?4.5 mM，所用反應(yīng)溶劑為十六烯、十八烯、二十烯中的一種或其中的多種;所得四氧化三鐵納米顆粒粒徑為5?30 nm;所述非極性溶劑為正己烷、辛烷、甲苯、氯仿中的一種或其中的多種。
[0009]本發(fā)明中，所述的基底選擇銅箔或鋁箔，自組裝的方法包括溶劑揮發(fā)法，二乙二醇撈膜法，或旋涂法。
[0010]本發(fā)明中，所述的高溫煅燒的溫度為400?600°C，煅燒的時(shí)間為60?180分鐘。
[0011]本發(fā)明中，所述的聚合物選自聚吡咯，聚偏氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯等。
[0012]本發(fā)明中，所述的刻蝕用無機(jī)試劑，該無機(jī)試劑可為濃鹽酸、硝酸、硫酸、過硫酸銨中的一種，刻蝕溫度為20?60 °C。
[0013]宏觀圖片分析
圖1為本發(fā)明制備的碳包覆四氧化三鐵納米顆粒超晶格二維薄膜的宏觀圖片。從圖中可以看出，通過此方法可以得到較大面積的二維薄膜。
[0014]圖2為聚合物包覆的二維介孔碳骨架薄膜的宏觀圖。從圖中可以看出，在一層超薄聚合物的包覆下，介孔碳骨架薄膜表現(xiàn)出較好的機(jī)械性能。
[00?5]掃描電鏡分析
圖3為碳包覆四氧化三鐵納米顆粒超晶格二維薄膜的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，通過溶劑揮發(fā)自組裝，高溫碳化后可以得到高度有序超晶格結(jié)構(gòu)。
[0016]圖4為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜表面的掃描電鏡圖。從圖中可以看出表面有清晰連續(xù)的孔道結(jié)構(gòu)，且平整度較高。
[0017]圖5為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜厚度的掃描電鏡圖。從圖中可以看出，薄膜的側(cè)面也是由連續(xù)均勻的孔道結(jié)構(gòu)構(gòu)成，并且通過不同的自組裝方法可以控制薄膜的厚度。
[0018]比表面數(shù)據(jù)分析
圖6為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜的氮?dú)馕矫摳角€圖，從圖中可以看出，二維有序介孔碳骨架薄膜的比表面積較大，約為1439.638 m2/g。
[0019]透射電鏡分析
圖7為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜材料的透射電鏡圖片。從圖中可以看出，碳骨架的結(jié)構(gòu)高度有序而且連續(xù)。
[0020]綜上所述，本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有以下特點(diǎn): 本發(fā)明以油酸鐵為原料，高溫裂解得到粒徑均勻的四氧化三鐵納米顆粒，表面由油酸包覆，以銅箔或鋁箔作為基底，采用溶劑揮發(fā)自組裝的方法，得到碳包覆的四氧化三鐵納米超晶格二維薄膜，在表面鍍一層聚合物后，通過刻蝕制備出具有高度有序而且連續(xù)的二維介孔碳骨架薄膜材料。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢:介孔碳的孔結(jié)構(gòu)高度有序而且連續(xù)，比表面積大，合成的二維薄膜具有一定的韌性，薄膜表面平整，并且改變四氧化三鐵納米顆粒自組裝的方法，薄膜的厚度可以在納米至微米尺度間調(diào)控，相對其他傳統(tǒng)制備介孔碳骨架薄膜的方法簡單。本發(fā)明可以在吸附與分離、儲能、傳感等方面有廣泛的應(yīng)用。
【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明制備的碳包覆四氧化三鐵納米顆粒超晶格二維薄膜的宏觀圖。
[0022]圖2為本發(fā)明制備的聚合物包覆的二維介孔碳骨架薄膜的宏觀圖。
[0023]圖3為本發(fā)明制備的碳包覆四氧化三鐵納米顆粒超晶格二維薄膜的掃描電鏡圖。
[0024]圖4為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜表面的掃描電鏡圖。
[0025]圖5為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜厚度的掃描電鏡圖。
[0026]圖6為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜材料的比表面數(shù)據(jù)圖。
[0027]圖7為本發(fā)明制備的二維有序介孔碳骨架薄膜材料的透射電鏡圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面通過具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
[0029]實(shí)施例1
(I)將36 g油酸鐵和8.6 g油酸溶于150 g十八烯中，氮?dú)獗Ｗo(hù)下320 °C反應(yīng)60 min，得到粒徑約為15 nm的四氧化三鐵納米顆粒，加入乙醇將納米顆粒沉淀出來，離心后，將所得納米粒子溶于甲苯中，形成濃度約為10 mg mL—1的穩(wěn)定膠體溶液。
[0030](2)在瓷舟底部放置大小合適的鋁箔，