CN104925780B - 一种多层片状碳材料的制备方法 - Google Patents

一种多层片状碳材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种多层片状碳材料的制备方法，属于无机非金属材料制备领域。在该发明中，利用具有片状结构的四氧化三钴作为催化剂前驱体，通过化学气相沉积法，以氢气作为催化剂前驱体还原处理气体，乙炔气体作为碳源气体，制备得到具有多层片状结构的碳材料。本发明的优点是多层片状碳材料的制备过程工艺简单易操作，生产规模易扩大和产物重复性高。

Description

一种多层片状碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种多层片状碳材料的制备方法，属于无机非金属材料制备领域。
背景技术
碳，作为自然界中组成万物的重要元素之一，由其所构成的碳材料因其特有的结构与性质而引起了广大科研工作者的研究兴趣和关注。碳材料具备诸多优异的特性，例如，良好的导电性、导热性、耐酸性、耐碱性以及高强度、低密度等，使其在航空航天、化学化工、能源机械、生物医学甚至军事重工等众多领域中均得到了广泛应用。
众所周知，碳元素具有多种同素异形体，其中包括人们早已熟知的石墨、金刚石、无定形碳，以及后来随着科技进步而发现的碳纳米管、碳纤维、石墨烯等新型碳材料。虽然均为碳元素组成的纯净物，但是由于组织结构上的不同，上述碳材料在性质性能上表现出了巨大差异。例如，石墨是电的良导体，而金刚石却表现为电的绝缘体；石墨是自然界最软的材料，而金刚石的硬度却非常高。由此可见，通过对碳材料的结构形貌和存在状态进行有目的地主动设计和有效实现，进而可以改变或改善碳材料某方面的性质和性能，如碳材料的尺寸、密度、比表面积等。
在相同体积条件下，多层片状结构可以有效提高材料的比表面积，这一点特别符合超级电容器、锂离子电池等应用领域对电极材料的要求，因为高比表面积可以提高电极的反应速率和效率。在利用多层片状结构碳材料制备的电极时，电解液可以进入到片与片之间的空隙并发生电极反应，切实有效地增大了反应面积，离子或电子的交换反应面积得到有效提高，使其具备了大电流充放电的能力。
化学气相沉积法是一种工艺简单易操作，生产规模易扩大和产物重复率高的碳材料常用制备方法，其主要工艺参数包括反应温度、反应时间、升温速率、碳源种类、载气种类以及催化剂种类和形态。通过对工艺参数地有效控制，可以制备得到具有特定形貌和状态的碳材料，该方法已经在碳纳米管、碳纤维甚至石墨烯等碳材料的制备领域中得到了广泛的应用。
在本申请中，采用了具有纳米片状结构的四氧化三钴作为催化剂前驱体，根据其物理化学性质，选取并设定化学气相沉积法的反应温度和反应时间，在不破坏其层状结构的前提下，制备得到了具有多层片状结构的碳材料。
发明内容
1、本发明涉及到一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于该方法中，首先利用水热法和后续高温煅烧制备得到四氧化三钴催化剂前驱体，然后通过化学气相沉积法，氢气作为催化剂前驱体还原处理气体，乙炔气体作为碳源制备得到了具有多层片状结构的碳材料。在该制备过程中，操作简单，反应条件温和且易控制，包括如下主要步骤：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后按照设定的升温速率将反应管由室温升至反应温度；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行一定时间的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持一定的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
2、根据权利要求1所述的一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中的升温速率设定范围为3℃/min～10℃/min。
3、根据权利要求1或2所述的一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于步骤(3)中设定的反应温度范围为260℃～550℃。
4、根据权利要求1、2或3所述的一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于步骤(4)中，氢气还原处理时间范围为20min～40min。
5、根据权利要求1、2、3或4所述的一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于步骤(5)中的反应时间为20min～60min。
附图说明
图1为多层片状碳材料的扫描电镜二次电子照片，从图中可以清晰地观察到碳材料的片状结构，其厚度为150nm～300nm。
图2为多层片状碳材料的扫描电镜背散射电子成分像照片，其中图中较亮的部分为催化剂金属钴颗粒所在的位置，基本位于片状碳材料的中心位置。
图3为四氧化三钴催化剂的XRD谱图。根据对谱图的分析，可以确定催化剂前驱体为四氧化三钴(JCPDS 43-1003)，没有其他衍射峰的出现，说明没有其他杂质存在。
图4为多层片状碳材料的XRD谱图。由图可以知道，多层片状碳材料中的催化剂为金属钴(JCPDS 05-0727)，2θ在20°～30°之间的弥散峰来自于具有无定形结构的多层片状碳材料。
具体实施方式
具体实施方式一：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后设定升温速率为4℃/min，将反应管由室温升至反应温度300℃；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行20min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持45min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
具体实施方式二：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后设定升温速率为4℃/min，将反应管由室温升至反应温度300℃；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行30min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持30min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
具体实施方式三：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后设定升温速率为5℃/min，将反应管由室温升至反应温度350℃；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行30min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持30min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
具体实施方式四：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后设定升温速率为5℃/min，将反应管由室温升至反应温度350℃；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行25min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持25min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
具体实施方式五：
(1)利用硝酸钴(Co(NO3)2·6H2O)和尿素(CO(NH2)2)，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后设定升温速率为6℃/min，将反应管由室温升至反应温度380℃；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行20min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持20min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。

Claims (1)

1.一种多层片状碳材料的制备方法，其特征在于，首先利用水热法和后续高温煅烧制备得到四氧化三钴催化剂前驱体，然后通过化学气相沉积法，氢气作为催化剂前驱体还原处理气体，乙炔气体作为碳源制备得到了具有多层片状结构的碳材料，在该制备过程中，操作简单，反应条件温和且易控制，包括如下主要步骤：
(1)利用硝酸钴和尿素，通过水热法制备得到具有片层结构的中间产物，然后对其进行高温煅烧，得到了具有片状结构的四氧化三钴催化剂前驱体；
(2)取适量四氧化三钴催化剂前驱体置于瓷舟中，并将其放入管式反应炉的反应管中；
(3)对反应管进行抽真空，然后按照设定的3℃/min～10℃/min升温速率将反应管由室温升至260℃～550℃反应温度；
(4)将氢气通入反应管至大气压，对四氧化三钴催化剂前驱体进行20min～40min的高温还原处理；
(5)氢气还原处理结束后，将氢气抽掉，然后通入碳源气体乙炔至大气压，并保持20min～60min的反应时间；
(6)当反应结束后，将反应管内的剩余气体抽掉，并保持真空，待自然冷却至室温后，收集瓷舟里的产物。
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