[发明专利]一种二维碳材料及其制备方法和用途

说明书

本发明提供一种二维碳材料及其制备方法和用途，特别是提供一种通过模板法以有机小分子为原料制备二维碳材料的方法及其制备得到的二维碳材料。所述二维碳材料的形貌结构没有特别的限定，例如可以根据有机碳源小分子种类的不同，制备过程的温度的不同，以及后处理步骤的不同，制备得到不同形貌结构的二维碳材料，所述二维碳材料可用于锂离子电池材料、超级电容器材料、吸附材料以及纳米催化材料等领域中。所述二维碳材料有以下特点：1)模板层间比表面积大，可以实现二维碳材料的量产制备；2)插层碳材料可以引入不同元素，比如氮、硫、磷等元素，实现在碳材料的掺杂改性。

技术领域

本发明属于二维碳材料技术领域，具体涉及一种二维碳材料及其制备方法和用途。

背景技术

二维碳材料具有良好的热导、电导、机械强度、高比表面、成膜性能、以及廉价等特点，被广泛应用在热电材料、新能源电极材料、催化材料、塑料或者橡胶添加材料、涂层领域，具有较好的应用前景。

从石墨材料制备纳米片或者纳米片超结构的方法，通过物理研磨等方法制备的石墨烯材料基本为多层石墨烯材料，同时因为石墨表面碳的稳定性高导致石墨烯的功能化难度高。而通常的Hammer化学法制备的氧化石墨烯缺陷多机械性能差；为得到具有热导性能、电导性能等时，还需要额外的还原步骤，造成了从石墨制备功能化二维碳材料的复杂性。

现有的以小分子为原料制备二维碳材料通常都是在固-液、气-液、固-气界面形成单分子自组装层，然后通过光照辐射、电子或者离子辐射聚合以及热后处理的方法。这种方法制备工艺复杂，同时因为界面面积有限，很难实现量产。

化学气相沉积也是一种制备大面积二维碳材料的有效方法，然而其采用镍或者铜基板等为催化剂表面，后期还需要通过腐蚀处理的方法将碳材料从表面剥离、也存在制备复杂而量产程度低下的问题。

发明内容

为了改善现有技术的不足，本发明的目的是提供一种二维碳材料及其制备方法和用途，特别是提供一种通过模板法以有机小分子为原料制备二维碳材料的方法及其制备得到的二维碳材料。所述二维碳材料的形貌结构没有特别的限定，例如可以根据有机碳源小分子种类的不同，制备过程的温度的不同，以及后处理步骤的不同，制备得到不同形貌结构的二维碳材料，示例性地，所述二维碳材料包括二维层堆积碳材料、二维纳米片层碳材料或二维层柱碳材料，所述二维碳材料可用于锂离子电池材料、超级电容器材料、吸附材料以及纳米催化材料等领域中。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

一种二维碳材料的制备方法，所述方法是以层状无机材料为模板，通过对其进行离子交换反应和/或插层反应、以及任选地局限反应，在层状无机材料的层间引入单功能团或者多功能团的有机分子层，然后通过任选地聚合反应，以及炭化反应和去模板反应，和任选地物理剥离，制备得到所述二维碳材料。

根据本发明，所述二维碳材料的形貌结构包括二维层堆积碳材料、二维纳米片层碳材料、二维层柱碳材料。

本发明中，所述二维碳材料的厚度以及形貌结构可以根据有机碳源小分子种类、炭化反应的温度的不同进行调整，还可以根据后处理方式的不同进行调整。例如，在插层过程中使用对苯二胺，可以获得较薄的二维碳材料，而使用联苯胺可以获得较厚的二维碳材料；在炭化过程中，在模板塌陷温度以下聚合或者炭化烧结可以获得二维层堆积碳材料；此二维层堆积碳材料通过物理剥离方法，即可得到二维纳米片层碳材料；也可能在炭化过程中因为温度以及气氛从而造成模板出现变形、部分还原、烧结穿孔、甚至烧结坍塌的任意可能，此时即可获得二维层柱碳材料。

根据本发明，所述方法包括如下步骤：

1)以层状无机材料为模板，对其进行至少一次离子交换反应和/或插层反应、以及任选地进行至少一次局限反应，制备得到层间引入有机分子组装层的有机/无机复合二维材料；

2)任选地，对步骤1)制备得到的有机/无机复合二维材料进行聚合反应；