[发明专利]一种交联网状碳纳米材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料合成领域，特别涉及一种交联网状碳纳米材料的制备方法。

背景技术

近年来，随着现代科学技术，特别是纳米技术的迅猛发展，微观有序的材料以其优异的物理化学性能引起人们的广泛关注。在各类有序材料中，碳材料由于在燃料电池、储氢和大分子吸附等方面展现出良好的应用前景，已成为人们研究课题的焦点。

自1985年首次报道成功合成富勒烯以来，碳材料受到了越来越多的科学家的注目。1991年，日本NEC公司的饭岛澄男在Nature上发表文章报导发现了碳纳米管也立刻引起了轰动，并经常作为碳纳米管的“发明人”被提起，虽然纳米管在报道之前就已经被发现了。2004年，英国曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功在石墨中剥离出石墨烯，并发表在Science上，再一次掀起碳材料研究风暴。石墨烯具有优秀的电导性，是目前世界上电阻率最小的材料。碳材料由于在大分子吸附、燃料电池、电催化、储氢以及光子晶体、双电层电容等方面展现出良好的应用前景，已引起人们的重视。碳材料的合成方法有很多种，传统的合成方法有：1)化学活化法，物理活化法以及物理化学活化法；2)用金属盐或金属有机化合物催化活化碳前驱体；3)在超临界干燥条件下碳化有机气凝胶；4)铸型碳化法。其中以金属有机化合物为前驱体通过焙烧制备碳材料逐渐被广泛关注。

金属有机骨架化合物(metal-organic frameworks，MOFs)，也叫金属有机配位聚合物(metal-organic coordination polymers，MOCP)，是由金属离子与有机配体通过配位作用组装的一种无机—有机杂化功能材料。金属离子与含氮、氧等的多齿有机配体(大多是芳香多碱或多酸)自组装而成拥有特殊孔道结构的材料，其中金属离子作为骨架结构的节点，有机配体成为连接这些节点的桥连基团。这种金属有机骨架材料可以通过不同的有机配体与各种不同的金属离子进行络合，从而来设计和控制骨架中的孔结构，使得该类材料具有结构丰富、可调、孔道多样、高的比面积及易实现功能化等特点，在干燥剂、催化剂、吸附分离、光学材料、医学诊断、电学、磁性材料、储存气体等众多的领域有着广泛应用。目前常用的合成方法有水热/溶剂热法、扩散法、微波合成和超声合成等。MOFs具有丰富多样的结构、高的比表面积、大的孔容，使得MOFs可以被作为一种碳前躯体来制备纳米碳材料，它扩大了制备出新颖结构和功能化的纳米碳材料的类型。到目前为止，MOF-5、Al-PCP和ZIF-8这几种MOFs化合物已被证明是一种能制备出在吸附、传感、催化、电化学电容上具有优异性能的纳米碳材料。

发明内容

本发明针对现有技术中利用单纯金属有机框架纳米颗粒作为前驱体制备的碳材料比表面小、电子传输途径单一、导电性差等问题，提出以金属氧化物作为模板，利用金属及有机配体之间的配位作用，在金属氧化物表面定向生长多种金属有机框架纳米材料，进而通过惰性气氛下焙烧处理得到交联网状的碳骨架材料的方法。

一种交联网状碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)在导电基底上生长金属氧化物；

(2)加入有机配体溶液，生成金属有机骨架化合物包覆金属氧化物；

(3)高温焙烧。

优选的，所述导电基底选自泡沫镍、ITO、FTO、镍片、钛片、铜网、碳纤维布或透明导电布中的一种或几种。

优选的，所述有机配体选自1,2-二甲基咪唑，甲基咪唑，对苯二甲酸或均苯三甲酸中的一种或几种。

所述有机配体溶液选用的溶剂为N,N-二甲基甲酰胺和水混合溶剂，有机配体的浓度为0.1-10mol/L，N,N-二甲基甲酰胺和水的体积比范围为1:10-10:1。

优选的，所述步骤(2)具体为：将生长有金属氧化物的导电基底放入含有有机配体溶液和水的高温高压反应釜中，将反应釜放入50-180℃烘箱中反应1-24h。

优选的，所述步骤(3)具体为：将步骤(2)的产物于气氛炉中，在惰性气体保护下，以600-900℃焙烧1-5h，气氛炉升温速率为1-10℃/min。

优选的，所述方法还包括导电基底的清洁处理步骤：将导电基底分别用无水乙醇、丙酮和去离子水各超声10-20min，去除表面的杂质。

优选的，所述惰性气体为氮气或氩气。