CN106379882A - 一种多级三维链状碳纳米网的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，先制成碳源为0.5‑2.0mol/L，尿素浓度为0.5‑2.0mol/L，铁盐浓度为0.05‑0.1mol/L，乙二酸浓度为0.01‑0.05mol/L的混合溶液A；将混合溶液，制成均匀地混合溶液B；将混合溶液B冷冻、干燥，在氩气气氛下，加热后，得到多级三维链状碳纳米网。本发明以糖类物质为碳源，尿素为氮源，铁盐为催化剂来制备链状碳纳米网超级电容器材料，此方法的原料价格低廉，方法简单，反应温度较为温和，能耗较低。本发明所制备的产物呈多级三维网络结构，产物形貌均一，并且连续性好，比表面积较大，并且为连续性的多级结构，有利于提高产物的导电性和吸附性。

Description

一种多级三维链状碳纳米网的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，具体涉及一种多级三维链状碳纳米网的制备方法。
背景技术
多孔碳材料可以用作超级电容器、电池负极材料和吸附材料等领域。由于多孔碳材料具有广泛的应用，一直备受广大科研工作者关注。目前制备多孔碳材料的原料主要有高分子聚合物和生物碳材料。高分子聚合物所制备的碳材料具有结构均一，孔隙率高，比表面积大，可重复性高等优点，但是通常高分子聚合物的价格昂贵，成本较高。生物碳材料来源广泛，价格低廉，是一种非常有潜力的原材料。目前提高碳材料的性能主要有以下方法：(1)采用氮和硫等元素进行掺杂。(2)制备具有碳纳米结构的碳材料，提高产物的比表面积。因此制备具有高比表面积的氮掺杂的多孔碳材料将会大大提高碳材料的性能。目前制备氮掺杂的碳材料的方法主要有高温CVD法，在氨气气氛下进行掺氮，反应温度较高，均为800℃以上，能量消耗也较高。因此寻找一种原料价格低廉，节能的方法，是非常有必要的。
发明内容
本发明针对现有问题，其主要目的是提出一种以铁盐为催化剂制备多级三维链状碳纳米网的方法。该方法以糖类为碳源，尿素为氮源，铁盐为催化剂来制备链状碳纳米网超级电容器材料。通过此方法所制备的碳材料的比表面积较大，合成温度较低。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，包括以下步骤：
1)将糖类碳源、尿素、铁盐以及乙二酸加入到去离子水中，搅拌均匀，制成碳源为0.5-2.0mol/L，尿素浓度为0.5-2.0mol/L，铁盐浓度为0.05-0.1mol/L，乙二酸浓度为0.01-0.05mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在200～500W下下超声0.5-2h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B冷冻、干燥，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C在氩气气氛下，在100℃，并保温1h，然后升温至500-800℃，并保温2-5h，得到多级三维链状碳纳米网。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中糖类碳源为羧甲基纤维素、壳聚糖、蔗糖或葡萄糖。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中铁盐为草酸高铁铵或柠檬酸铁胺。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中搅拌的时间为10-30min。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中冷冻具体是在-30℃下冷冻2h。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中干燥具体是在真空冷冻干燥仪中干燥24-48h。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中保温均是在置于管式炉中进行的。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中以5-15℃/min的速率自室温升温至100℃。
本发明进一步的改进在于，步骤4)中自100℃起以5-15℃/min的升温速率升温至500-800℃。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
1)本发明以糖类物质为碳源，尿素为氮源，铁盐为催化剂来制备链状碳纳米网超级电容器材料，此方法的原料价格低廉，方法简单，反应温度较为温和，能耗较低。
2)本发明所制备的产物呈多级三维网络结构，产物形貌均一，并且连续性好，比表面积较大，并且为连续性的多级结构，有利于提高产物的导电性和吸附性。
3)本发明所制备的产物中含有少量的铁单质，可以有效地提高产物的导电性，进而提高产物的电化学性能。
附图说明
图1为本发明的XRD图。
图2为本发明的低倍SEM图。
图3为本发明的高倍SEM图。
图4为本发明的透射电镜图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明
实施例1
1)将分析纯的尿素、羧甲基纤维素、草酸高铁铵和乙二酸加入到去离子水中，搅拌10min，制成羧甲基纤维素浓度为0.5mol/L、尿素浓度为0.8mol/L、草酸高铁铵浓度为0.05mol/L和乙二酸浓度为0.01mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在200W下超声2h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B在-30℃下冷冻2h，然后在真空冷冻干燥仪中干燥40h，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C置于管式炉中，在氩气气氛下，以10℃/min的速率自室温升温至100℃，并保温1h，然后继续以15℃/min的升温速率升温至600℃，并保温2h，得到多级三维链状碳纳米网。
采用日本理学D/max2000PCX-射线衍射仪分析产物，所得产物的XRD见附图1，从图中可以看出产物在25°左右有明显的碳峰。将该样品用日本理学生产的S4800场发射电镜进行观察，从图2和图3中可以看出，产物呈多级三维网络结构，产物形貌均一，并且连续性好。将该样品用美国FEI生产的FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN透射电镜进行观察，从图4中可以看出，产物呈类似于石墨烯的薄纱结构。
实施例2
1)将分析纯的柠檬酸铁胺、尿素、壳聚糖和乙二酸加入到去离子水中，搅拌30min，制成壳聚糖浓度为0.8mol/L、尿素浓度为2.0mol/L、柠檬酸铁铵浓度为0.08mol/L和乙二酸浓度为0.01mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在500W下超声2h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B在-30℃下冷冻2h，然后在真空冷冻干燥仪中干燥30h，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C置于管式炉中，在氩气气氛下，以10℃/min的速率自室温升温至100℃，并保温1h，然后继续以10℃/min的升温速率升温至500℃，并保温5h，得到多级三维链状碳纳米网。
实施例3
1)将分析纯的尿素、蔗糖、草酸高铁铵和乙二酸加入到去离子水中，搅拌20min，制成蔗糖浓度为1mol/L、尿素浓度为0.5mol/L、草酸高铁铵浓度为0.1mol/L和乙二酸浓度为0.05mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在300W下超声0.5h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B在-30℃下冷冻2h，然后在真空冷冻干燥仪中干燥24h，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C置于管式炉中，在氩气气氛下，以5℃/min的速率自室温升温至100℃，并保温1h，然后继续以10℃/min的升温速率升温至800℃，并保温2h，得到多级三维链状碳纳米网。
实施例4
1)将分析纯的柠檬酸铁胺、尿素、葡萄糖和乙二酸加入到去离子水中，搅拌15min，制成葡萄糖浓度为1.5mol/L、尿素浓度为1mol/L、柠檬酸铁铵浓度为0.07mol/L和乙二酸浓度为0.02mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在400W下超声1h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B在-30℃下冷冻2h，然后在真空冷冻干燥仪中干燥48h，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C置于管式炉中，在氩气气氛下，以15℃/min的速率自室温升温至100℃，并保温1h，然后继续以5℃/min的升温速率升温至700℃，并保温3h，得到多级三维链状碳纳米网。
实施例5
1)将分析纯的柠檬酸铁胺、尿素、壳聚糖和乙二酸加入到去离子水中，搅拌25min，制成壳聚糖浓度为2mol/L、尿素浓度为1.5mol/L、柠檬酸铁铵浓度为0.06mol/L和乙二酸浓度为0.04mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在500W下超声1.5h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B在-30℃下冷冻2h，然后在真空冷冻干燥仪中干燥36h，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C置于管式炉中，在氩气气氛下，以8℃/min的速率自室温升温至100℃，并保温1h，然后继续以12℃/min的升温速率升温至650℃，并保温4h，得到多级三维链状碳纳米网。

Claims (9)

1.一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将糖类碳源、尿素、铁盐以及乙二酸加入到去离子水中，搅拌均匀，制成碳源为0.5-2.0mol/L，尿素浓度为0.5-2.0mol/L，铁盐浓度为0.05-0.1mol/L，乙二酸浓度为0.01-0.05mol/L的混合溶液A；
2)将上述制备的混合溶液A在200～500W下超声0.5-2h，制成均匀地混合溶液B；
3)将混合溶液B冷冻、干燥，得到疏松产物C；
4)将疏松产物C在氩气气氛下，在100℃，并保温1h，然后升温至500-800℃，并保温2-5h，得到多级三维链状碳纳米网。
2.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤1)中糖类碳源为羧甲基纤维素、壳聚糖、蔗糖或葡萄糖。
3.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤1)中铁盐为草酸高铁铵或柠檬酸铁胺。
4.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤1)中搅拌的时间为10-30min。
5.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤3)中冷冻具体是在-30℃下冷冻2h。
6.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤3)中干燥具体是在真空冷冻干燥仪中干燥24-48h。
7.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤4)中保温均是在置于管式炉中进行的。
8.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤4)中以5-15℃/min的速率自室温升温至100℃。
9.根据权利要求1所述的一种多级三维链状碳纳米网的制备方法，其特征在于，步骤4)中自100℃起以5-15℃/min的升温速率升温至500-800℃。
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