[发明专利]金属辅助盐模板法制备三维碳基复合材料

说明书

本发明涉及一种金属辅助盐模板法制备三维碳基复合材料的方法，包括下列步骤：将一种或多种碳源前驱体、一种或多种盐在溶剂中按一定比例溶解混合，然后加入金属或金属合金粉末并搅拌均匀，去除溶剂，获得预制粉末；将预制粉末在含有还原性气体的气氛中，煅烧一段时间，生长三维网络状纳米材料；将所得三维网络状纳米材料放入相应腐蚀液中去除金属和盐，随后进行纯化和干燥处理得到三维碳基复合材料。

技术领域

本发明属于纳米材料的制备技术领域，具体涉及一种利用金属辅助盐模板法可控合成三维碳基复合材料的制备方法。

背景技术

现代科学技术的不断发展，对储能器件提出了更高的性能需求。因此，开发新型储能材料刻不容缓。

目前，新型储能材料普遍包括石墨烯、碳纳米管等碳纳米材料、石墨烯/镍等石墨烯基复合材料等。其中，最具代表性且应用前景最为广泛的是新型碳纳米材料。以碳纳米材料为例，其由于具有独特的六角蜂窝晶格结构，使其具有优良的力学性能。并且，碳纳米材料较高的比表面积、导电性和化学稳定性及可控的孔结构也使其在储能器件领域极具应用前景，受到了研究者们的广泛关注。二维碳纳米材料易团聚和结构不可控，导致其实际比表面积远低于理论值，限制了其性能发挥。因此，为解决上述问题，在保持二维碳纳米材料的本征特性下，研究者们将二维碳纳米材料组装为三维网络结构。该结构集成了独特的空间结构特征和碳纳米材料独特的物理化学性质，不仅具有不易堆垛团聚、高比表面积的结构特点，还具有较高的导电性，从而赋予碳基储能器件高的能量密度、功率密度和优良的循环稳定性。

盐模板法是一种制备三维网络状纳米材料的方法。先前有报道(ACSNano,2014,8,2,1728-1738)利用氯化钠为模板，柠檬酸为碳源，制备三维网络状碳复合材料，该方法工艺简单，模板易得。然而，上述工作的纯盐模板法存在诸多不足，如：(1)所制备的三维网络结构只有大孔结构，比表面积较低；(2)三维碳片晶化程度低，缺陷多，导电性差，且为非石墨烯结构；(3)制备工艺中需要使用氯化亚锡等无机盐作为催化剂，具有一定毒副作用，环境不友好；(4)所制备的三维碳纳米材料仅可为松散粉末，应用领域有限。先前也有报道(ACSNano,2016,10,1411-1416；专利201680079909.8)利用蔗糖为碳源，金属镍粉为模板，利用粉末冶金工艺制备三维石墨烯泡沫材料。该方法工艺简单，但仍存在诸多不足：(1)所制备的材料为泡沫状块体材料，应用领域有限；(2)石墨烯层数较厚，比表面积很低，无法实现在锂离子电池、超级电容器等高性能储能器件中的应用；(3)工业化批量生产成本高；等。

因此，开发一种简单高效、可控制备具有大比表面积及高孔隙率的三维碳基复合材料的方法，对获得高性能储能器件具有实际意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种新型可控合成三维碳基复合材料的方法，即一种通过金属或金属合金粉末作为添加剂辅助盐模板法，结合化学气相沉积工艺，制备三维碳基复合材料的方法。通过加入不同的前驱体和添加剂，可以获得不同类型的三维碳基复合材料。通过对金属或金属合金粉末添加剂含量、压力、煅烧温度、气氛等参数的调控，可以实现三维碳基复合材料的状态、形貌、结构和性能的可控。该方法简单方便操作、易于工业化批量生产。本发明的技术方案如下：

一种金属辅助盐模板法制备三维碳基复合材料的方法，包括下列步骤：

(1)将一种或多种碳源前驱体、一种或多种盐在溶剂中按一定比例溶解混合，然后加入金属或金属合金粉末并搅拌均匀，去除溶剂，获得预制粉末；

(2)将预制粉末在含有还原性气体的气氛中，煅烧一段时间，生长三维网络状纳米材料；

(3)将步骤(2)中所得三维网络状纳米材料放入相应腐蚀液中去除金属和盐，随后进行纯化和干燥处理得到三维碳基复合材料。

所述的三维碳基复合材料为三维碳片、三维石墨烯泡沫、三维石墨烯/铜纳米颗粒复合材料、三维石墨烯/镍纳米颗粒复合材料或三维碳/硅复合材料。