多孔碳材料及其制備方法和應用技術

本發明專利技術公開了一種多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。本發明專利技術還公開了所述多孔碳材料及其應用。本發明專利技術的多孔碳材料的制備方法，工藝簡單、無需模板，能夠得到可控形狀的多孔碳材料。

Porous Carbon Materials and Their Preparation and Application

The invention discloses a preparation method of porous carbon material, which comprises the following steps: (1) providing a film made of carbidable material; (2) in-situ carbonization of the film by laser direct writing carbonization technology to form a pre-shaped carbonization region on the film; (3) immersing the film after in-situ carbonization in a solvent so that the carbonization region is spontaneously separated from the film. The porous carbon material is obtained. The invention also discloses the porous carbon material and its application. The preparation method of the porous carbon material of the present invention is simple in process and does not need template, and the porous carbon material with controllable shape can be obtained.

【技術實現步驟摘要】
多孔碳材料及其制備方法和應用
本專利技術涉及碳材料
，具體涉及一種多孔碳材料及其制備方法和應用。
技術介紹
不同尺寸形狀和孔隙結構的多孔碳顆粒/膜具有一系列優異特性，如高表面積、熱穩定性和機械穩定性好，可調節的電氣/電子特性，易于物理和化學功能化以及低密度的特性。這些特性使其在諸多領域中應用廣泛，例如電能存儲中的電極，催化劑載體基板，藥物輸送或細胞運輸，用于去除水處理中的染料和其他污染物，用于儲氫和CO2吸附，電磁波吸收，還可作為具有新特性的復雜結構金屬-有機骨架復合材料的構件。用于生產多孔碳材料的傳統方法通常包括現有碳材料的化學和物理活化、碳前體的催化活化、聚合物共混物的碳化、以及有機氣凝膠的熱解、含氟聚合物脫氟和金屬碳化物的氯化。然而，上述方法無法精確控制多孔碳顆粒/膜的尺寸、形狀和孔結構。近年來開發了諸多新型制備方法以獲得可控形狀、均一尺寸的多孔碳顆粒/膜。各種模板方法，包括硬模板和軟模板，通常涉及以非原位或原位方式創建模板結構，該方法步驟多、制備方法繁瑣，后續需去模板程序。此外，一些研究人員發現了一些通過合理選擇碳前體、溶劑、催化劑和碳化方法的無模板生產多孔碳顆粒/膜的方法。但是，這些無模板法在多孔碳顆粒/膜的形狀尺寸控制方面缺乏靈活性和通用性。除了上述缺點之外，先前開發的模板法和無模板法通常只能實現球形或空心球形等單一形狀的多孔碳顆粒/膜。
技術實現思路
本專利技術要解決的技術問題是提供一種多孔碳材料的制備方法，該制備方法工藝簡單、無需模板，能夠得到可控形狀的多孔碳材料。為了解決上述技術問題，本專利技術提供了一種多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。本專利技術中，薄膜基體與碳化區域在所述溶劑中會表現出物理化學性質上的差異，(如表面張力、溶解/溶脹特性、力學性能等)，從而使得薄膜基體與碳化區域之間的產生界面應力，導致碳化區域自發地從薄膜基體上脫離，從而形成了自支撐的、形狀和尺寸可控的多孔碳材料。得到的多孔碳材料可為碳顆粒或碳膜。本專利技術中，所述可碳化材料可采用本領域公開已知的任何能夠在激光照射下發生碳化的材料，包括但不限于合成高分子材料及其衍生物、天然高分子材料及其衍生物。作為優選，所述可碳化材料選自下述材料中的任意一種：(i).聚氨酯、木質素、纖維素、木質素磺酸鈉；(ii).(i)中材料的衍生物。作為優選，所述薄膜為由所述可碳化材料制成的純膜或由所述可碳化材料和其他組分復合制成的復合膜。其中，所述其他組分為能夠與所述可碳化材料復合形成薄膜的任何材料，包括可碳化的材料或不可碳化的材料。作為優選，所述復合的方式選自溶液共混、溶液吸附、熔融共混中的任意一種或一種以上的組合。作為優選，所述薄膜的制備方法選自刮涂、旋涂、噴涂、滴涂、澆筑中的任意一種。本專利技術中，所述薄膜可為自支撐薄膜或具有支撐基底的薄膜。作為優選，所述激光光源的波長為10nm～1mm，激光照射功率為200mW～10W。作為優選，所述預定形狀為幾何形狀、幾何陣列或由所述幾何陣列組合形成的異形圖案。更優選地，所述幾何形狀為基本幾何形狀。所述圖案的尺寸為納米級別或以上。本專利技術的另一目的在于提供一種由上述制備方法制備得到的多孔碳材料，該多孔碳材料可以是有序的，也可以是無定型的。本專利技術的又一目的在于提供前述的多孔碳材料的應用，例如作為吸附劑、電極材料的應用、在制備超級電容器或傳感器中的應用。作為優選，所述超級電容器包括PDMS基底和粘合于PDMS基底上的多孔碳顆粒。作為優選，所述傳感器為柔性壓阻傳感器，該傳感器包括PDMS基底和粘合于PDMS基底上的多孔碳顆粒。本專利技術的有益效果：本專利技術的制備方法無需模板，制作方法簡便；可碳化材料和復合組分的選擇靈活多樣，普適性強；制備出的多孔碳材料形狀可控、尺寸均勻、具有自支撐性；加工手段可自動化、工藝可控性好、可大規模生產；所制備的多孔碳材料可廣泛應用于吸附、儲能、傳感等多種領域。附圖說明圖1是實施例1中木質素磺酸鈉/纖維素基紙的多孔復合基體和激光碳化多孔碳顆粒的掃描電鏡圖；圖2是實施例1的碳化區域從薄膜上自發脫離的系列照片；圖3是實施例1制備的單片多孔碳顆粒的亞甲基藍紫外吸光度曲線；圖4是實施例1制備的單片多孔碳顆粒的亞甲基藍吸附量隨時間的變化曲線；圖5實施例1制備的多孔碳顆粒/PDMS柔性壓阻傳感器的照片、應力-時間曲線和相對電阻變化-時間曲線；圖6是實施例1制備的超級電容器內部零件照片及1000次充放電測試；圖7是實施例2制備的超級電容器內部零件照片及1000次充放電測試；圖8是實施例3制備的中國結圖案的多孔碳顆粒在水中從薄膜基體上彈開的系列照片；圖9是實施例3制備的形狀各異的多孔碳顆粒的掃描電鏡圖；圖10是實施例4中不同激光功率下得到的不同尺寸的多孔碳線的掃描電鏡圖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施例對本專利技術作進一步說明，以使本領域的技術人員可以更好地理解本專利技術并能予以實施，但所舉實施例不作為對本專利技術的限定。實施例1首先準備原材料，選擇一張中速定性濾紙作為基體材料，選擇可溶性高分子木質素磺酸鈉作為碳化前驅體材料。然后將木質素磺酸鈉配置成10wt％的水溶液，以濾紙與木質素磺酸鈉質量比為1:1為準，根據濾紙質量控制木質素磺酸鈉的體積。毛細作用下木質素磺酸鈉會吸附在濾紙的纖維上，浸泡15min后進80℃烘箱烘干30min，以除去水分，重復浸泡-烘干過程3次即可制備出濾紙與木質素磺酸鈉質量比1:1的多孔復合紙材，其電鏡照片如圖1中(a)所示。接著將復合紙材置于激光切割機中，進行激光碳化。所使用的激光光源為CO2激光，激光功率控制在0.5W，選擇激光掃描模式，掃描速度為10mm/s,掃描間隔為0.12mm，掃描形狀為3*3mm正方形陣列。最后將激光書寫后的復合紙材放進去離子水中，由于碳化區域親水性較差，且在水中受到一個向內擠壓的毛細作用；而非碳化區域即纖維素親水性好，同時易吸水向外膨脹，則在界面處就會形成一個界面應力，導致碳化區彈出基體，從而得到自支撐的多孔碳顆粒，多孔碳顆粒的電鏡照片如圖1中(b)所示，此形成過程的視頻截圖如圖2所示。對上述獲得的多孔碳顆粒進行染料吸附實驗，研究其吸附能力。亞甲基藍水溶液的初始濃度為7.43μM,取3.5mL裝于比色皿中，放入一片上述獲得的多孔碳顆粒(質量為0.12mg)，用光譜儀測其亞甲基藍吸光度隨時間的變化曲線，如圖3所示。根據公式，可以得到如圖4所示的單位質量碳顆粒的吸附量隨時間的變化曲線，其在24小時內最大吸附量達到0.21g/g，與其他吸附劑材料相當。用上述獲得的多孔碳顆粒與柔性基體PDMS結合制備柔性壓阻傳感器，研究其傳感性能。制備時，將一片多孔碳顆粒平放在預固化(保持一定的黏度但無流動性)的PDMS液體表面，于50℃烘箱中放置12h使PDMS固化完全，此時多孔碳顆粒牢牢地粘在PDMS基體上。該柔性傳感器的照片及其循環施力的力-時間曲線和相對電阻變化-時間曲線如圖5所示。根據敏感因子計算公式(GF＝(R/R0-1)/ε)，其在10％最大應變下GF約為21，與本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。

【技術特征摘要】
1.一種多孔碳材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)提供由可碳化材料制備成的薄膜；(2)采用激光直寫碳化技術對所述薄膜進行原位碳化，以在薄膜上形成預定形狀的碳化區域；(3)將原位碳化后的薄膜浸泡于溶劑中，使得所述碳化區域自發地從薄膜上脫離，即得到所述多孔碳材料。2.如權利要求1所述的多孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述可碳化材料選自下述材料中的任意一種：(i).聚氨酯、木質素、纖維素、木質素磺酸鈉；(ii).(i)中材料的衍生物。3.如權利要求1所述的多孔碳材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，所述薄膜為由所述可碳化材料制成的純膜或由所述可碳化材料和其他組分復合制成的復合膜。4.如權利要求3所述的多孔碳材料的制備方法，其特征在于，所述復合的方...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉濤，羅姜姜，姚艷波，
申請(專利權)人：蘇州大學，
類型：發明
國別省市：江蘇,32