[发明专利]一种二维有序介孔碳片及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及介孔碳基纳米功能材料及其制备工艺技术领域，尤其涉及一种二维有 序介孔碳片及其制备方法和应用。

背景技术

二维介孔碳材料，具有高的比表面积、大的有序介孔、高的导电性和优异的化学稳 定性等等，在光学、电学、电化学、传感器、膜分离等很多领域都具有应用价值。然而， 将三维介孔材料低维化，产生类似石墨烯的二维介孔超薄膜结构，是目前研究的难点。 界面自组装方法具有普适性，可在各种基底包括金属、氧化物、硅片、玻璃、碳等上进 行二维有序介孔高分子/碳材料的自组装。依据基底的不同，可以生长成不同的形貌的介 孔碳材料，如纳米片、纳米方块、纳米盘等。并且可从基底剥离出来，得到二维片层材 料。此外，将纳米材料低维化，并与其它纳米材料复合，赋予其新特性，已成为研究热 点之一。

例如，清华大学石高全教授课题组以石墨烯气凝胶为基底，合成三明治状的材料， 研究人员成功在石墨烯片的上下制备了孔道取向的氮掺杂介孔碳。这种氮掺杂的介孔碳 材料在氧还原的应用上表现出优异的电催化活性、良好的电化学稳定性和高选择性的氧 还原。然而，在石墨烯气凝胶上生长的介孔并没有表现出较好的有序性。本课题组前期 工作以石墨烯气凝胶为基底，在中国专利申请号201310480044.4专利文件中公开了一种 多级孔道石墨烯/碳复合材料的制备方法，获得的材料具有孔道取向可控的有序介孔材 料，同时这种材料在超级电容器的应用上表现出较高的电容量和优异的倍率性能。然而， 虽然在石墨烯气凝胶上包覆了二维有序可控的介孔碳层，但由于石墨烯气凝胶本身是三 维结构，所以，最终获得有序介孔碳石墨烯复合材料是块体材料，而不是具有二维有序 介孔碳材料。复旦大学赵东元教授课题组以阳极氧化铝(AAO)为基底，研究人员在AAO 上成功制备了具有垂直孔道的二维有序介孔碳材料，这种二维碳材料在锂离子电池的应 用上表现出较出众的纯粹容量同时在较高电流密度下具有较好的循环稳定性。然后，研 究人员只获得了具有垂直孔道的有序介孔碳，并未能可控生长孔道取向可控的二维有序 介孔碳片层材料。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有高比表 面积、高孔容、宽孔径、可直接用作电极材料的生长孔道取向可控的介孔碳基纳米功 能材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种二维有序介孔碳片的制备方法，以层状双金 属氢氧化物(LayeredDoubleHydroxide，LDH)为基底，以非离子表面活性剂为结构导 向剂，以高分子预聚体为碳前驱体，通过水热法在层状双金属氢氧化物表面诱导自组装， 然后将自组装得到的产物依次通过冷冻干燥、惰性气体下高温碳化、去除非离子表面活 性剂，从而形成有序介孔结构(OrderedMesoporousCarbonSheet，OMCS)，最后通过 对有序介孔结构进行刻蚀，并去除层状双金属氧化物，从而形成二维有序介孔碳片。

具体地，本发明的二维有序介孔碳片的制备方法包括以下步骤：

步骤一，准备高分子前驱体或高分子预聚体；

步骤二，将0.8-1.5g非离子表面活性剂溶于15mL水中并搅拌，直至得到澄清溶液；

步骤三，将步骤一的高分子前驱体或高分子预聚体15-20g与步骤二得到的澄清溶 液混合，并用50mL水稀释，然后在67-70℃温度下以340转每分钟的搅拌速率搅拌10～14 小时，得到球型单胶束亚单元；

步骤四，层状双金属氢氧化物的制备：将不同质量的含第一金属离子的硝酸盐、含 第二金属离子的硝酸盐和尿素溶解在去离子水中，然后将得到的溶液依次经过搅拌、冷 凝回流和静置得到白色乳浊液，将得到的白色乳浊液稀释洗涤并调节pH接近中性，离心 或静置沉淀获得较高浓度(大于10mg/ml)的乳浊液层状双金属氢氧化物，并标定其浓 度；

步骤五，将步骤三得到球型单胶束亚单元与步骤四得到的层状双金属氢氧化物混合 于水热釜中，并将混合液稀释，稀释后的混合液静置3-5小时后，在130℃下水热20小 时，冷却后，将产物离心除去溶液，最后冷冻干燥获得淡黄色产物；

步骤六，将步骤五得到的淡黄色产物经过碳化并去除非离子表面活性剂，得到粉末 物质，将该粉末物质分别经过酸刻蚀和碱刻蚀，然后去除基底层状双金属氧化物，再依 次经过洗涤、过滤、烘干后得到二维有序介孔形碳片。