[发明专利]一种新型三维碳炔类全碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种新型三维碳炔类全碳材料及其制备方法。该制备方法主要有以下步骤：以四乙炔基碳为聚合前体，在四氢呋喃、正己烷、吡啶的混合溶液中通过铜催化交叉偶联反应，制备具有类似金刚石结构的三维碳炔类材料。该材料由sp和sp3杂化碳原子构成，含有大量的丁二炔键并通过正四面体结构的sp3杂化碳原子相连，形成类似金刚石骨架结构的三维碳炔类全碳材料。本发明提供的制备方法，工艺简便易于操作，能够在多种铜箔、铜粉表面成功制备具有金刚石类似骨架的三维碳炔类材料。使用本方法制备的三维碳炔材料薄膜，能够直接作为电池的负极材料应用于在钠离子电池，并能够获得良好的电化学表现，同时表明该三维碳炔材料在能源器件（金属离子电池、电容器等）、催化（氧还原、析氢等）、材料（环保、储能等）、以及半导体等领域具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于材料应用研究领域，具体涉及到一种新型三维碳炔类全碳材料及其制备方法。

背景技术

伴随着社会发展以及人们的需求日益增长，环境保护问题和能源短缺的危机日益加剧。新型洁净能源的制备以及能源的高效储存已成为人们研究的热点。研发能够应用于能源器件的性能优越的材料已成为亟待解决的问题。作为目前最具有竞争力和最具活力的碳科学，在多学科交叉中展现了强大的生命力，碳材料可广泛应用于锂离子电池、太阳能电池、超级电容器、催化载体、传感器以及纳微电子器件等领域研究。具有sp³，sp²，sp三种杂化方式的碳材料具有多种同素异形体，包括无定形碳、柔性石墨、碳纤维、碳纳米管、富勒烯、石墨烯和石墨炔等。其中sp杂化态形成的石墨炔中的碳碳三键具有无顺反异构体、线性结构和高共轭等优点，从而受到了研究者的广泛关注。

石墨炔在能源领域的潜在应用，是由它特殊的结构所决定的。石墨炔sp与sp²杂化态的成键方式决定了它的独特分子构型。一般来说，在石墨炔分子内有三种类型的碳碳键：在中心芳香苯环上C(sp²)―C(sp²)键，键长大约0.143 nm；连接C＝C 和C≡C的C(sp²)―C(sp)键，键长大约0.140 nm；以及连接C≡C 的C(sp)―C(sp) 键，键长是0.123nm。相比于石墨烯，石墨炔不仅具备苯环，而且还额外的有由苯环和碳碳三键共18个碳原子所构成的但三角形环。石墨炔分子之间由于π-π键和范德华力的相互作用会形成层状的结构，由18个碳原子所构成的大三角形环在层状结构中会形成三维的孔道结构，这独特的结构使石墨炔具有丰富的宽面间距、碳化学键、很高的π共轭性、可调控的电子结构和分散均匀的孔道构型。总的来说，石墨炔既具备石墨烯的单层二维平面材料的特点，同时还具有三维多孔材料的结构特征，将刚性平面结构和均匀孔隙结构结合在一起，有利于分子和离子的运输和存储（G. Li, Y. Li, H. Liu, Y. Guo, Y. Li, D. Zhu, Chem. Commun. 2010, 46, 3256；C.Huang, S. Zhang, H. Liu, Y. Li, G. Cui, Y. Li, Nano Energy 2015, 11, 481.）。