[发明专利]一种片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料的制备方法

说明书

一种片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料的合成方法，属于新材料技术领域。基于金属有机骨架化合物在层状无机模板二维纳米孔道内部的插层生长、限域碳化及酸腐蚀去除模板过程，获得片状纳米多孔碳与碳纳米管的复合材料。本方法简单可靠，易于实现二维纳米多孔碳片材料与一维碳纳米管复合材料的规模化生产。所得纳米多孔碳片与碳纳米管复合材料化学组成与孔隙结构高度可控，在催化、能源存储与转换等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明涉及一种片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料的制备方法，属于新材料技术领域。

背景技术

片状纳米多孔碳是指具有准二维结构的多孔纳米碳材料。与粒状纳米材料相比，片状二维纳米多孔材料具有高度开放的微观结构、更大的比表面积、更短的荷质扩散/传输长度及独特的二维面内电子传输效应，是近年来功能纳米材料研究的热点领域之一，在储能、催化、光电材料等领域极具应用前景。而碳纳米管具有一维纳米管状结构，具有良好的机械性能和导电性能。

碳材料具有良好的物理化学稳定性、导电性及结构柔韧性，广泛应用于能源、催化、生物医疗等领域。以石墨烯为代表的二维纳米碳材料有机结合了碳材料与二维纳米结构的优势，是一类结构新颖、性能独特的功能纳米材料。二维纳米碳材料的传统制备方法主要基于化学气相沉积、微机械剥离法、溶剂剥离等方法，此类方法制备过程繁琐，难以实现对二维纳米碳材料化学组成与微观结构的同步调控，因而难以得到广泛应用。

金属有机骨架化合物是由含氧、氮等的多齿有机配体与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物，一般以金属离子为连接点，有机配体位支撑构成孔隙丰富的三维有序结构，在多种领域内具有应用潜力。金属有机骨架化合物一般碳含量较高，内部天然富含大量的杂原子(如氮等)与金属原子，可以通过简单的热解碳化过程实现向纳米碳材料的转化与组成结构调控。在此过程中，金属有机骨架化合物丰富的孔隙结构可大部分得到保存，因而由其衍生的纳米碳材料往往无需活化即可拥有高比表面积。此外，金属有机骨架化合物结构高度有序，形貌、尺寸、晶面结构可控，以之作为结构前驱体可容易地实现对衍生纳米碳材料微观结构的精细调控，不仅如此，金属有机骨架化合物中的氮和金属原子碳化后可保留在所制备的碳素材料之中，赋予碳素材料良好的反应活性和催化活性。因此，金属有机骨架化合物被认为是构筑具有高比表面积、杂原子掺杂以及孔道可调的纳米碳材料的理想前驱体。目前常规方法仅能获得金属有机骨架化合物衍生的微纳米颗粒，以金属有机骨架化合物为前驱体构筑二维纳米碳材料，特别是构筑二维纳米多孔碳与一维碳纳米管的复合结构仍是功能材料研究领域的巨大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料的制备方法，该制备方法提出以金属有机骨架化合物作为结构前驱体，以具有二维纳米孔道结构的商业化无机层状化合物作为结构模板，基于不同金属有机骨架化合物在层状无机模板二维纳米孔道内部的插层生长、限域碳化及酸腐蚀去除模板过程，获得组成结构高度可控的片状多孔纳米碳与碳纳米管的复合结构。本发明工艺简单，使用商业化前驱体与模板剂可大大降低生产成本，易于实现规模化生产。

本发明采用的技术方案是：一种片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料的制备方法包括如下步骤：

a、将层状无机模板加到过渡金属盐的溶液中超声搅拌下浸泡30分钟，使层状无机模板层间阳离子发生离子交换，获得金属离子改性的层状无机模板，反应温度为室温；所用溶剂为水、甲醇或乙醇中的一种；

b、将步骤a中得到的金属离子改性的层状无机模板与过渡金属盐、有机配体混合，常温下反应24小时，获得有机骨架化合物插层无机模板的复合结构；

c、将步骤b中得到的有机骨架化合物插层无机模板的复合结构，在常压下，于设定煅烧气氛下得到纳米碳插层的复合结构；

d、将步骤c中得到的纳米碳插层的复合结构与氢氟酸溶液反应去除无机模板，用去离子水和乙醇反复洗涤产物，烘干后得到所述片状纳米多孔碳与碳纳米管复合材料，酸洗反应温度为室温，反应时间为6-24小时。