[发明专利]一种聚脲衍生功能碳及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种聚脲衍生功能碳及其制备方法与应用，所述功能碳的形貌为多孔纳米棒状或多孔纳米片。所述方法包括以下步骤：步骤一，将多异氰酸酯溶于有机溶剂中；步骤二，采用液相聚合法使得步骤一中的物质在0‑180℃反应，合成聚脲；步骤三，采用真空抽滤法提纯合成的聚脲；步骤四，采用氩气保护在600‑1200℃热解，合成聚脲衍生功能碳材料。所述应用为功能碳在电化学储能和电催化中的应用。本发明的方法具有合成策略路线简便、产物分子水平可控的优势，实现了聚脲衍生功能碳材料的高效、可靠的稳定制备。

技术领域

本发明属于新材料领域，具体为一种聚脲衍生功能碳及其制备方法与应用。

背景技术

纳米碳材料（NC）是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料具有结构多样、表面状态丰富，可调控性强、化学稳定性好等优点，同时具有优异的电运输特性和高活性表面。近年来，纳米碳材料高速发展，其独特的结构和优异的性能被各国广泛研究，特别是具有较大比表面积的、高电导率和良好生物相容性的纳米碳材料在超级电容器、光电催化、电化学储能、电催化等电化学领域应用甚广。然而，纳米碳材料也有其不足之处。高温热解是大部分纳米碳材料合成的必要手段。在此过程中，由于含碳前驱体的降解，使得材料的孔道结构坍缩，碳材料的形貌变形，从而导致纳米碳材料的功能性缺失。因此，设计功能性强，热稳定性高，结构稳定的前驱体是合成纳米碳材料的关键一环。

嵌段共聚物（BCP）是由化学结构和功能不同的嵌段交替聚合而成的线型共聚物。它可以将多种聚合物的优良性质结合在一起，得到性能比较优越的功能聚合物材料。这种聚合物分子量可控、分子量分布较窄、分子结构与组成可设计，是高分子研究领域中最富有意义且具有挑战性的研究工作之一。此外，嵌段聚合物衍生的碳材料保型良好，继承了纳米碳材料优异电化学特性，还能够实现在分子层面调控纳米碳材料，实现不同需求的功能化。然而，嵌段共聚物也有其本身的不足，包括复杂的反应工艺、过长的合成周期及昂贵的提纯成本等，阻碍了嵌段共聚物及其衍生碳的开发和应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种分子水平可控的功能碳，本发明的另一目的是提供一种高效可靠稳定的聚脲衍生功能碳的制备方法，本发明的再一目的是提供一种功能碳在超级电容器、电化学储能、光电催化、电催化中的应用。

技术方案：本发明所述的一种聚脲衍生功能碳，功能碳的形貌为多孔纳米棒状或多孔纳米片。多孔纳米棒的直径为90-100nm，在其表面及内部均匀分布孔道。多孔纳米片直径为10-20nm，其孔道均匀排列。

上述聚脲衍生功能碳的制备方法，包括以下步骤：

步骤一，将多异氰酸酯溶于有机溶剂中；

步骤二，采用液相聚合法使得步骤一中的物质在0-180℃反应1-24小时，合成聚脲；

步骤三，采用真空抽滤法提纯合成的聚脲；

步骤四，采用氩气保护在600-1200℃热解，合成聚脲衍生功能碳材料。

其中，多异氰酸酯为苯基多异氰酸酯、萘基异氰酸酯及其衍生物，其结构式如下：

、，x=2, 3, 4。

优选地，步骤一中，异氰酸酯与多胺类分子同时溶于有机溶剂中。有机溶剂为氨水、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺、二氯乙烷、苯中的一种或多种。多胺类分子为烷基多胺、苯基多胺及其衍生物，其结构式如下：

、，x=2,3。

上述功能碳在超级电容器、电化学储能、光电催化、电催化中的应用。