[发明专利]一种高度定向片状碳纳米材料的制备方法

说明书

本发明公开一种低温制备高度定向片状碳纳米材料的方法，属于碳材料领域。所述高度定向片状碳纳米材料的制备方法，是将纤维素纳米晶胶体均匀分散，静止数周控制纤维素纳米晶中晶体的自组装方向，然后采用真空冷冻干燥控制纤维素纳米晶中冰晶的生长及升华方向，得到纤维素纳米晶片状材料。进一步隔绝氧气，在600～1000℃对产物进行热解碳化，去除纤维素纳米晶分子结构中的氢、氧元素，制备得到高度结晶的碳纳米材料，其得率为28％～35％。该材料具有高度石墨化结构，片层间距为0.388～0.408nm，结晶度为77.7％～92.8％。将该材料制成导电材料，其电导率为0.043～6.2S/m。该方法制备操作简单、节约能耗。

技术领域

本发明涉及碳材料领域，具体涉及一种低温制备高度定向片状碳纳米材料的方法。

背景技术

二维碳纳米材料如石墨烯、碳纳米片、碳纳米薄膜等，具备大的横向尺寸、超薄的厚度，优异的电导率和高化学稳定性，可广泛应用于催化、能量存储、电子学等方面。目前二维碳纳米材料的常用制备方法有化学气相沉积法、模板法、剥离法等。其中，以聚合物为前体，通过热解制备二维碳纳米材料的方法具有生产规模大、广泛适用性及经济效益高等优点。纤维素作为一种天然聚合物，是一种常用的碳前体，通常在400℃以上隔绝氧气热解制得生物质炭。由于其碳得率较低(550～850℃范围内得率为17％～19％)，机械性能较差，且在1000℃以下很难形成石墨化结构，使其难以满足新型二维碳纳米材料的应用要求。

纳米纤维素(nanocellulose)是直径为1～100nm，长度为几十纳米到几微米的超微细纤维的统称。目前，按照制备的尺寸和形态，纳米纤维素可以分为纤维素纳米晶和纤维素纳米纤丝。其中，纤维素纳米晶(Cellulose nanocrystal，CNC)是纤维素经过处理(如酸水解)，将纤维素中的无定形区及低结晶度的结晶区破除后，提取得到的一种刚性棒状纤维素结晶体，其直径2～20nm、长度100～500nm。CNC具有高结晶度、高模量(130～250GPa)、高比表面积(150-1000m²/g)等特性，有望应用于二维碳纳米材料的制备。

发明内容

本发明的目的：提供一种高度定向片状碳纳米材料的制备方法。

本发明的技术解决方案：将纤维素纳米晶胶体均匀分散，静止数周控制纤维素纳米晶中晶体的自组装方向，然后采用真空冷冻干燥控制纤维素纳米晶中冰晶的生长及升华方向，得到纤维素纳米晶片状材料。进一步隔绝氧气，在一定温度下对产物进行热解碳化，去除纤维素纳米晶分子结构中的氢、氧元素，制备得到高度结晶的碳纳米材料。

具体制备方法如下：

(1)按质量比1.0～2.0∶100称取纤维素纳米晶、去离子水，充分混合，在冰水浴中进行超声分散，得到质量分数为1.0～2.0％的纤维素纳米晶胶体；

(2)将步骤(1)得到的纤维素纳米晶胶体在4～10℃放置1～2周，得到高度定向的纤维素纳米晶胶体；

(3)将步骤(2)的纤维素纳米晶胶体在-40～-25℃冷冻12～24h，放入真空冷冻干燥机干燥24～48h，得到纤维素纳米晶片状材料；

(4)将步骤(3)得到的纤维素纳米晶片状材料，置于管式炉中，在600～1000℃保持2～4h，制得片状碳纳米材料。

本发明的优点：

纤维素纳米晶具有高度的结晶性，使其在热解碳化时不发生熔融流动，仍可保持其形貌和结构，此外，纤维素纳米晶中整齐排列的纤维素分子链则使其在低温下即能形成有序定向的石墨化结构。该方法制备片状碳纳米材料操作简单、节约能耗。性能测试表明：