[发明专利]一种卷绕炭纳米片的制备方法

说明书

本发明公开的一种卷绕炭纳米片的制备方法，以链状聚合物为碳前驱体，以无机盐为模板，通过控制无机盐晶体结晶行为，实现结晶诱导制备卷绕炭纳米片。所制备的卷绕炭纳米片长度为5‑200μm，卷绕结构内径为2‑40μm，卷绕层数为1‑20层，炭纳米片厚度为1‑200nm，卷绕炭纳米片尺寸、卷绕层数、单片层厚度可调，原料成本低廉，制备方法简单，结构可控，绿色无污染，中性盐晶体可以重复利用，降低了生产成本。所制得的卷绕炭纳米片尺寸、卷绕层数、单片层厚度可调，将其用于锂离子电池负极材料时，可表现出优秀的循环与倍率性能。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备及电化学技术领域，尤其是一种适用于电化学储能方面的卷绕炭纳米片的制备方法。

背景技术

二维纳米炭材料具有化学性质稳定、比表面积大、电导率高、形貌结构可控性强、制备方法易控制等优点，在吸附分离、生物医药、光电显示、催化剂及载体、复合与功能材料等领域获得长足发展。尤其是在电化学储能领域，二维纳米炭材料被广泛应用为锂离子电池、钠离子电池、超级电容器以及离子电容器等各类储能器件的电极材料，并以导电剂、包覆层或载体的形式发挥重要作用。

为实现二维纳米炭材料的可控制备，科研工作者发展了基于“自下而上”和“自上而下”的二维纳米炭材料制备方法。其中，“自上而下”方法是从石墨出发，利用机械力、超声波、热应力等破坏石墨层间的范德华力制备剥离得到二维纳米炭材料的方法，主要包括机械剥离法[J M.Tour,et al.,Chem.Mater.,2013,26:163-171]、化学插层法[S.Stankovich,et al.,Nature,2006,442:282-286]以及电弧放电法[K.S.Subrahmanyam,et al.,J Phys.Chem.C,2009,113:4257-4259]等。但“自上而下”法难以对二维纳米炭材料的形貌结构进行精确设计，制约其进一步发展。由有机分子出发，“自下而上”反应组装形成宏观结构是一种制备二维纳米炭材料的行之有效的方法。化学气相沉积法是其典型代表，通过改变前驱体种类、基板形貌和优化工艺，可实现对纳米炭材料形貌结构的控制。但是该方法成本较高，产量较低，并且存在部分基板去除较难或去除过程易损伤材料形貌等问题，难以进一步推广，严重制约二维纳米炭材料的应用与发展。因此，发展普遍适用、可控性强，又兼具成本与工艺的方法仍是目前制备二维纳米炭材料并调控其形貌的关键。

发明内容

技术问题：本发明的目的是要克服现有技术中的不足之处，提供一种制备方法简单、原料易得、生产成本低、无污染、且中性盐晶体可重复利用的卷绕炭纳米片的制备方法。

技术方案：本发明一种卷绕炭纳米片的制备方法，包括如下步骤：

a.将碳前驱体与无机盐以1：(0.5～50)量比均匀溶解于溶剂中混合，碳前驱体与溶剂的质量比为1：(100～5000)，将溶剂混合物置于冷冻器中，以-10至-100℃冷冻温度保持24-72小时，冷冻干燥后得固体粉末；

b.将冷冻干燥所得的固体粉末置于炭化炉中进行炭化，在惰性气体保护下升温至200-1800℃进行炭化，升温速率为0.5-20℃/min，炭化时间为0.5-10小时；

c.将炭化所得黑色粉末用去离子水洗涤，然后置于干燥炉中以温度为50-200℃进行干燥，得到长度为5-200μm，厚度为1-200nm，卷绕层数为1-20层的卷绕炭纳米片。

步骤a中，所述的碳前驱体为嵌段共聚物F127、嵌段共聚物F108、嵌段共聚物F68、嵌段共聚物P123、十六烷基三甲基溴化铵、或聚乙烯吡咯烷酮中的任一种或几种。

步骤a中，所述的无机盐为硝酸钾、硝酸钠、或硫酸钠或硫酸钾中的一种。

步骤a中，所述的溶剂为去离子水、无水乙醇、或丙酮的任一种或几种。

步骤a中，所述的碳前驱体与无机盐的质量比为为1:(1～40)。