[发明专利]一种二维碳纳米片的制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维碳纳米片的制备方法和应用，属于电储能和电催化技术领域，包括将质量比为(5‑10):1的硼酸和明胶混合，溶解在水中，形成混合溶液；烘干混合溶液中的水分，得到硼酸和明胶的混合物；将混合物置入碳化装置中进行碳化，控制碳化温度为650‑900℃，碳化后的产物冷却至室温；浸泡和洗涤碳化后的产物，将产物干燥至恒重，得到二维碳纳米片。本发明通过对明胶与硼酸的质量比例及碳化温度进行设定，制备出的二维碳纳米片具有优异的电储能和催化性能，其中明胶属于工业废物，成本低，合成工艺简单，同时又能降低生产成本，通过将洗涤后的硼酸进行回收和重复利用，能够降低生产成本，减少对环境的污染，便于产业化应用。

技术领域

本发明属于电储能和电催化技术领域，更具体地，涉及一种二维碳纳米片的制备方法和应用。

背景技术

碳材料因具有优异的导电性、丰富的结构形式和丰富的原料来源而被广泛的应用。二维碳纳米片具有较薄的厚度和较大的表面积，有利于电子的传输和表面电化学反应/化学反应，因而被广泛的应用于电化学储能和催化。最典型的是石墨烯材料，然而其制备工艺较为复杂和工艺成本较高、产量较少、合成过程产生有毒气体，阻碍了其产业化的应用。

目前，研究人员采用各种方法制备类石墨烯碳材料，探究其在电化学储能和催化等领域的应用。如模板法、溶剂热法等，然而这些方法需要苛刻的制备条件，包括准确控制压力、需要使用有毒溶剂、严格控制配比等，同时这些方法原材料存在着利用率低、产率较低以及合成反应时间较长等问题。如何降低二维碳纳米片的合成成本、原材料成本，同时进行规模化生产、拓展其在储能和催化领域的应用成为当今科研和工业领域的一大难题。

由于存在上述的缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，需要探索一种新的二维碳纳米片材料的合成工艺，提高其储能和催化性能，同时又能降低生产成本，便于产业化应用。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维碳纳米片的制备方法和应用，其目的在于通过对关键制备材料明胶与硼酸的混合比例、碳化温度的控制，合成二维碳纳米片，由此解决制备条件复杂的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种二维碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：

S1，将质量比为(5-10):1的硼酸和明胶混合，溶解在热水中，形成混合溶液；

S2，烘干混合溶液中的水分，得到硼酸和明胶的混合物；

S3，将所述混合物置入碳化装置中进行碳化，控制碳化温度为650-900℃，碳化后的产物冷却至室温；

S4，浸泡和洗涤碳化后的产物，将产物干燥至恒重，得到二维碳纳米片。

优选地，所述步骤S1中的明胶类别为生物级，溶于水后的硼酸水溶液浓度不高于300g/L。由于硼酸与明胶溶解度的限制，同时浓度较低的硼酸溶液有利于与明胶的混合。

优选地，所述步骤S2中的烘干温度为70-80℃，以保证硼酸较少的挥发和升华；烘干后的混合物的含水率低于5％，以有利于减少水分对二维碳纳米片合成的影响。

优选地，所述步骤S3中碳化时间为0.5-2h。

优选地，还包括将所述步骤S3中碳化装置产生高温尾气冷凝后得到热解油，并将热解油通入到焚烧炉中燃烧为碳化装置提供热量。

优选地，还包括将所述步骤S3中碳化装置产生的低温尾气供步骤S2烘干使用。通过对高温气体和低温气体的收集和处理，能够进一步实现热解油回收，减少其对环境的污染。

优选地，所述高温尾气为碳化装置碳化混合物时直接产生，所述低温尾气为高温尾气经降温处理后形成。

优选地，所述步骤S4中将洗涤后的溶液进行收集，重新与硼酸配比，供步骤S1使用。