CN103949237A - 一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法 - Google Patents

一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，包括以下步骤：以纤维素和尿素、氰胺或者氰酸为原料，将纤维素和尿素、氰胺或者氰酸按质量比100∶1～1∶1000混合，然后置于氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃～1200℃，最后自然冷却降温即可得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。与现有技术相比，本发明工艺简单，绿色安全且成本低，可实现规模连续化生产。该产品在催化，能量储存，光电器件和传感器等众多领域具有广阔的应用前景。

Description

一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法
技术领域
本发明属于非金属碳纳米复合材料领域，具体涉及一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，尤其涉及一种通过碳-碳键连接高度整合的碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法。
背景技术
日渐枯竭的化石能源和日趋严重的环境污染严重威胁着人类的生存与发展，寻找和发展替代化石能源的可再生绿色能源成为国内外能源利用和材料科学研究的热点。作为现有能源体系的替代，太阳能的转化利用一直是近几十年科学研究的重点方向。太阳能作为一种绿色能源，可以通过光解水、光合成、生物资源光再生等方式转变成可直接利用的能源(包括电能和化学能)；而这些技术都依赖于催化剂本身的性能及制备成本。另外，与能源相关的能量存储技术，如锂离子电池、电化学(超级)电容器、燃料电池以及储氢材料等，也离不开相关功能材料的开发。宏量制备廉价且有效的热催化剂、光催化剂和电化学器件中的电极材料一直是上述诸多领域的重要研究目标。碳材料作为一种自然界分布非常广泛的材料，由于其成本低廉，且物理化学性质和物质形态非常丰富(涵盖从导体，半导体到绝缘体)并具有极佳的稳定性，在催化、光催化、电催化等领域都表现出巨大的潜力。
在诸多碳材料中，二维石墨烯作为一种新型的碳纳米材料以其优异的电学、热学、光学和力学性能在不同领域中表现出了潜在的应用价值。特别是具有高电导率、高导热性、超大的比表面积、独特的电荷载流予迁移率和高的透光率等特性的石墨烯材料在绿色能源领域中表现出非常好的应用前景。但是如何有效地调控和改善石墨烯的结构与功能，使其能够满足对高性能催化材料的需要是当前石墨烯基催化剂研究所面临的主要问题。由sp2杂化的单层碳原子紧密堆积形成的二维蜂窝状完美石墨烯结构不具备催化活性中心，人们通常采用杂原子(以N为代表)掺杂的方式改善其催化活性，掺杂的N原子会影响C原子的自旋密度和电荷分布，导致石墨烯表面产生“活性位点”，这些活性位点可以直接参与催化反应。然而，N原子掺杂在单层石墨烯中，其费米能级移动到狄拉克点之上，导带和价带之间的带隙被打开，这势必会影响其原本的准金属特性即高效的电子传输性能。因此如何在保证石墨烯基催化剂具有良好导电性能和结构稳定性的前提下，发挥其最大的催化活性无疑是对研究者们的一大挑战。
作为最薄的二维材料，柔性的石墨烯本身结构并不稳定，极倾向于层层之间团聚形成石墨结构，致密的石墨结构势必会导致石墨烯片层内部缺陷形成的催化活性位点被掩埋，造成催化活性位点成倍下降。团聚的石墨烯片层间距减小，直接阻碍了催化反应物质进入层间在其中的活性位点处发生反应，导致催化性能明显降低。比较合理的解决方案是在石墨片层中引入介观孔结构，增进层间的物质传输；或者通过引入石墨碳纳米结构与石墨烯复合，改变石墨烯原本的二维层层排布方式，构建石墨碳纳米结构-石墨烯复合结构。石墨烯复合结构的构建会明显降低石墨烯材料的界面电阻，有利于石墨烯或类石墨材料在催化领域特别是电催化和光电催化领域的应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种通过碳-碳键高度整合的碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以纤维素和尿素、氰胺或者氰酸为原料，将纤维素和尿素、氰胺或者氰酸按质量比100∶1～1∶1000混合，然后置于氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃～1200℃，最后自然冷却降温即可得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
所述的纤维素是细菌纤维素，半纤维素，木质素或果胶。
所述的尿素、氰胺或者氰酸是尿素，单氰胺，双氰胺，三聚氰胺或三聚氰酸。
所述的纤维素与尿素、氰胺或者氰酸的质量比为1∶20。
所述的煅烧温度为1000℃。
石墨烯沿碳纤维两侧生长，形成同轴复合结构。
所述的石墨烯厚度为0.34～13nm。
所述的碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料中碳纳米线粗细为1～500nm。
与现有技术相比，本发明的技术特点是，以纤维素和尿素、氰胺或者氰酸为原料，原位碳化形成石墨碳纤维轴向复合氮掺杂石墨烯片层结构(如图1所示)，具有工艺简单，易于控制，绿色安全，并且可实现宏量制备。
附图说明
图1为碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的透射电镜照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶20，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，细菌纤维素和尿素原位碳化形成石墨碳纤维轴向复合氮掺杂石墨烯片层结构(如图1所示)，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料，产物中石墨烯厚度为0.34～13nm，碳纳米线粗细为1～500nm。
实施例2：
控制半纤维素和尿素的质量比1∶20，将半纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例3：
控制木质素和尿素的质量比1∶20，将木质素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例4：
控制果胶和尿素的质量比1∶20，将果胶和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例5：
控制细菌纤维素和单氰胺的质量比1∶20，将细菌纤维素和单氰胺混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例6：
控制细菌纤维素和双氰胺的质量比1∶20，将细菌纤维素和双氰胺混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例7：
控制细菌纤维素和三聚氰胺的质量比1∶20，将细菌纤维素和三聚氰胺混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例8：
控制细菌纤维素和三聚氰酸的质量比1∶20，将细菌纤维素和三聚氰酸混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例9：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶20，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1500℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例10：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶20，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1250℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例11：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶20，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，900℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例12：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶20，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，800℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例13：
控制细菌纤维素和尿素的质量比100∶1，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例14：
控制细菌纤维素和尿素的质量比10∶1，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例15：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶1，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例16：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶10，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例17：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶100，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
实施例18：
控制细菌纤维素和尿素的质量比1∶1000，将细菌纤维素和尿素混合置于氮气保护的马弗炉中，1000℃煅烧，最后自然冷却得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。

Claims (8)

1.一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：以纤维素和尿素、氰胺或者氰酸为原料，将纤维素和尿素、氰胺或者氰酸按质量比100∶1～1∶1000混合，然后置于氮气的保护下煅烧，控制煅烧温度范围为700℃～1200℃，最后自然冷却降温即可得到碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维素是细菌纤维素，半纤维素，木质素或果胶。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的尿素、氰胺或者氰酸是尿素，单氰胺，双氰胺，三聚氰胺或三聚氰酸。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的纤维素与尿素、氰胺或者氰酸的质量比为1∶20。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的煅烧温度为1000℃。
6.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，石墨烯沿碳纤维两侧生长，形成同轴复合结构。
7.根据权利要求1或6所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的石墨烯厚度为0.34～13nm。
8.根据权利要求1所述的一种碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料的制备方法，其特征在于，所述的碳纤维与石墨烯轴向复合纳米材料中碳纳米线粗细为1～500nm。
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