一種碳納米材料的合成方法與應用技術

本發明專利技術提供了一種碳納米材料的合成方法，包括步驟：A)將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；C)將所述第一碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。同時，本申請還提供了一種碳納米材料的合成方法，在步驟A)中包括原料SiO

Synthesis method and application of carbon nano material

The invention provides a synthesis method of a carbon nano material comprising the steps of: A) are small organic molecules, transition metal salt and solvent, and the solvent is removed and the obtained mixture; B) the mixture of high temperature pyrolysis, the first carbon nano materials; C) the first carbon nano materials the etching to etch away the metal particles, get the second carbon nano materials; D) the second carbon nano materials by high temperature pyrolysis, carbon nano materials. At the same time, the present invention also provides a method for synthesizing carbon nanomaterials, comprising the raw material SiO in step A

【技術實現步驟摘要】
一種碳納米材料的合成方法與應用
本專利技術涉及納米材料
，尤其涉及碳納米材料的合成方法與應用。
技術介紹
碳材料由于具有優異的化學穩定性、熱穩定性與高的導電性等性能，廣泛應用于許多科學
，包括水的凈化、催化、分離、氣體傳感、采集、儲能(燃料電池、超級電容器、鋰硫電池)等方面。通常，碳材料合成是對有機前驅體的直接碳化。研究表明，有機前驅體的化學性質影響到最終碳材料的結構、性質和性能。碳材料有特征的結構性質，比如，從無定型的碳到完全有序的石墨晶體結構，它們的物理性質，比如介觀有序、比表面積、孔體積與石墨化程度，碳前驅體的官能團都會影響它們的電化學性能，同時含雜原子的前驅體，比如N、S或O的摻雜對碳材料的導電性、堿性和氧化穩定性，甚至在穩定貴金屬方面都具有顯著地效果。目前，合成碳材料的方法主要有：1)通過對一些天然或人工合成的聚合物進行碳化形成碳材料，比如：聚丙烯腈和酚醛樹脂等。但是它們有一些弊端-聚合物形成過程中的分散性不好以及復雜的合成途徑：在碳化之前的預聚合過程中，酸或者金屬催化劑的添加是必要的；聚合步驟緩慢和不純的催化劑對于實際生產是不利的；2)一些高揮發性的小分子比如苯或乙腈，通過化學沉積法(CVD)合成碳材料，但是需要苛刻的條件；3)最近，離子液體受到科學研究者的關注，成為了一種合成碳材料的新方法，但是只有極少數的氰基/含腈非質子性的離子液體可以形成碳材料；4)在非質子性離子液體的基礎上，一種新型的離子液體-質子化的離子液體，通過含氮的有機小分子與堿形成質子化的離子液體/離子鹽，形成碳材料；但是選取合成的離子液體的有機分子只能含有N的雜原子，所以合成出的碳材料受到一定程度的限制。上述合成碳材料的方法不具有普適性，且條件苛刻。
技術實現思路
本專利技術解決的技術問題在于提供一種碳納米材料的合成方法，本申請提供的碳納米材料的合成方法具有普適性。本申請提供了一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；C)，將所述第一碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。本申請還提供了一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、SiO2小球、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；B)＇，將所述第一碳納米材料進行刻蝕，得到具有介孔的碳納米材料；C)，將所述具有介孔的碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。優選的，所述有機小分子選自雙氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、鄰苯二胺、1,10-菲羅啉、菲、2,2'-雙噻吩、5,5’-二溴-2,2’-聯噻吩、4,4'-二溴-2,2'-聯吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲羅啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-聯吡啶中的一種或多種。優選的，所述過渡金屬鹽選自Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、AgNO3、Cu(NO3)2·3H2O或Ni(NO3)2·6H2O。優選的，步驟C)中，所述刻蝕的刻蝕劑為酸性溶液。優選的，步驟B)具體為：在氬氣或氮氣的保護氣氛下，將所述混合物以2～10℃/min升至600～1000℃，保持1～4h；再以2～10℃/min降至400～600℃，自然冷卻，得到第一碳納米材料。優選的，步驟D)具體為：在氫氣與氬氣的保護氣氛下，將所述第二碳納米材料以2～10℃/min升至600～1000℃，保持1～4h，再以2～10℃/min降至500℃，自然冷卻，得到碳納米材料。優選的，步驟中，所述刻蝕的刻蝕劑為堿性溶液。優選的，步驟B)＇具體為：將所述第一碳納米材料進行第一次堿刻蝕36～48h，再于8000r～10000r速度下進行離心，將離心后的下層固體進行第二次堿刻蝕，得到具有介孔的碳納米材料。本申請提供了上述方案所述的合成方法所合成的碳納米材料在電催化或有機催化中作為催化劑的應用。本申請提供了一種碳納米材料的合成方法，具體為：將有機小分子、過渡金屬鹽與有機溶劑混合后，進過高溫熱解，再經過刻蝕以去除碳納米材料表面的金屬顆粒，最后再進行高溫熱解，得到具有孔結構且摻雜金屬和雜原子的碳基納米材料；本申請還提供了一種碳納米材料的合成方法，具體為：將有機小分子、過渡金屬鹽、SiO2小球與溶劑混合，再進行高溫碳化，然后依次刻蝕掉SiO2模板與殘留的金屬顆粒，最后進行高溫處理，得到具有介孔且摻雜不同金屬與雜原子的碳基納米材料。本申請提供的碳納米材料原料易得，且反應條件溫和，適用性廣。進一步的，本申請制備的碳納米材料中碳包裹的金屬具有催化活性，使其作為催化劑具有較好的催化活性；同時在另一個方案中，碳納米材料中具有的介孔可為催化反應提供更多的比表面積，即提供了更多的活性中心；且小分子有機物形成的碳已高度石墨化，因此本申請提供的碳納米材料作為催化劑具有較好的活性與穩定性。附圖說明圖1為本專利技術實施例1制備的碳納米材料的掃描電鏡照片；圖2為本專利技術實施例2制備的碳納米材料的掃描電鏡照片；圖3為本專利技術實施例1制備的碳納米材料的透射電鏡照片；圖4為本專利技術實施例2制備的碳納米材料的透射電鏡照片；圖5為本專利技術實施例1制備的碳納米材料的BET曲線圖；圖6為本專利技術實施例2制備的碳納米材料的BET曲線圖；圖7為本專利技術實施例3制備的碳納米材料用于有機催化5次循環前后的轉化率與選擇性的柱狀圖；圖8為本專利技術實施例4制備的碳納米材料用于電催化的ORR測試在進行2000次循環伏安掃描前后的線性伏安掃描曲線圖。具體實施方式為了進一步理解本專利技術，下面結合實施例對本專利技術優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本專利技術的特征和優點，而不是對本專利技術權利要求的限制。本專利技術實施例公開了一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；C)，將所述第一碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。本申請提供了一種通過金屬鹽協助碳化有機小分子來制備碳納米材料的方法，本申請提供的合成方法原料易得，且操作簡單，可實現規模化制備，因此該方法具有普適性。在制備碳納米材料的過程中，本申請首先將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；此過程是為了使原料充分混合，得到一種均勻的混合物；所述去除溶劑的方法為本領域技術人員熟知的技術手段，對此本申請沒有特別的限制，示例的，所述去除溶劑的方法為旋蒸。所述有機小分子為本領域技術人員熟知的有機小分子，具體的，所述有機小分子選自雙氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、鄰苯二胺、1,10-菲羅啉、菲、2,2'-雙噻吩、5,5’-二溴-2,2’-聯噻吩、4,4'-二溴-2,2'-聯吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲羅啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-聯吡啶中的一種或多種；在具體實施例中，所述有機小分子選自鄰苯二胺本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；C)，將所述第一碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。

【技術特征摘要】
1.一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；C)，將所述第一碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。2.一種碳納米材料的合成方法，包括以下步驟：A)，將有機小分子、SiO2小球、過渡金屬鹽與溶劑混合，再去除溶劑，得到混合物；B)，將所述混合物進行高溫熱解，得到第一碳納米材料；B)＇，將所述第一碳納米材料進行刻蝕，得到具有介孔的碳納米材料；C)，將所述具有介孔的碳納米材料進行刻蝕以刻蝕掉金屬顆粒，得到第二碳納米材料；D)，將所述第二碳納米材料進行高溫熱解，得到碳納米材料。3.根據權利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述有機小分子選自雙氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、鄰苯二胺、1,10-菲羅啉、菲、2,2'-雙噻吩、5,5’-二溴-2,2’-聯噻吩、4,4'-二溴-2,2'-聯吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲羅啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-聯吡啶中的一種或多種。4.根據權利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述過渡金屬鹽選自Co(N...

【專利技術屬性】
技術研發人員：梁海偉，許實龍，吳振禹，
申請(專利權)人：中國科學技術大學，
類型：發明
國別省市：安徽,34