[发明专利]一种二维水热碳纳米片材料的制备方法及其应用

说明书

本发明属于材料的制备和合成技术领域，具体涉及一种二维水热碳纳米片材料的制备方法及其应用，为开发一种简单易行、可控性较高、环境友好、原料来源广泛的二维水热碳的制备方法，本发明以氧化铁纳米棒基底或硅片基底作为反应基底，在葡萄糖、催化剂和乙二胺的混合水溶液的作用下通过水热反应合成得到，所制备得到的水热碳纳米片可用作新型高效的光催化剂，应用于制备电化学电容器等电子器件中，本发明利用水热法制备水热碳纳米片的方法制备工艺简单，原料来源广泛，具有大规模应用的优点，开辟了一种制备高效稳定具有纳米尺度的碳功能材料的新方法，有利于促进基于材料创新的产业发展。

技术领域

本发明属于材料的制备和合成技术领域，具体涉及一种二维水热碳纳米片材料的制备方法及其应用。

背景技术

二维材料是指电子仅可在两个维度的纳米尺度(1～100nm)上做平面运动的材料。最典型也是最早经实验证明的二维材料是石墨烯，后续又有一些新的二维材料陆续被分离出来，如单元素的硅烯和黑磷，过渡金属硫化物的二硒化钨，过渡金属二卤化物的溴化镁，MXene，金属有机骨架，共价有机骨架和钙钛矿等。二维材料具有很多传统材料所不具备的独特的光电性能，特别是在构筑高性能、新功能光电子器件方面已经展示了巨大的潜力。同时,他们的表面积大、电导率高，可以缩短电荷迁移距离和改善光生电荷载流子的分离，在电化学、记忆存储器件、太阳能电池、生物医学、聚合物纳米复合材料等众多领域具有广泛的应用前景。

水热碳(HTCC)是由价廉的生物质经过水热碳化过程后得到的以碳为主体，含氧官能团丰富的固体产物，实现了生物质资源的高效转化，是一种新颖的环境友好型光催化剂。水热炭材料在环境修复，催化剂载体、锂电池以及超级电容器等方面存在广泛的应用。水热碳包含的大量含氧官能团可以吸附环境中的污染物。水热碳中sp²杂化的聚呋喃结构使得水热碳具有半导体性质，可以应用于光催化杀菌、降解污染物、光催化水分解。水热碳因其燃料比高，接近于泥炭和褐煤，可以用作固体燃料的替代品。多孔的水热碳的表面积大，金属可以很好地分散在水热碳上，避免了团聚。水热碳具有平行的层状结构和球形特征，是电极的理想选择，其高体积电容量使得其在电化学电容器中有潜在的商业应用。

虽然二维水热碳具有作为有效光催化剂和电催化剂的潜力，但目前尚未报道有制备二维水热碳材料的方法。因此，迫切需要开发一种简单易行、可控性较高、环境友好、原料来源广泛的二维水热碳的制备方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种二维水热碳纳米片材料的制备方法，该制备方法简单方便，成本低廉，原料来源广泛，开辟了一种制备高效稳定且具有纳米尺度的碳功能材料的新方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供一种二维水热碳纳米片材料的制备方法，即以氧化铁纳米棒基底或硅片基底作为反应基底，在葡萄糖、催化剂和乙二胺的混合水溶液的作用下通过水热反应合成得到。该制备方法成本低、操作简单，具有大量制备高性能二维水热碳纳米片材料的特点。

优选地，所述氧化铁纳米棒基底的制备方法为：将FTO玻璃基板置于氯化铁、硫酸钠的混合水溶液中进行水热反应，反应产物经高温煅烧后制备得到。该制备方法可获得高质量的氧化铁纳米棒基底。

更优选地，制备氧化铁纳米棒基底时，所述FTO玻璃基板在水热反应前先进行超声洗涤。具体的，所述超声洗涤为用乙醇和丙酮交替超声洗涤3到6次。

更优选地，制备氧化铁纳米棒基底时，所述水热反应的温度为100～160℃，时间为5～10h。

更优选地，制备氧化铁纳米棒基底时，在所述氯化铁、硫酸钠的混合水溶液中，氯化铁的浓度为0.2～33.3mg/mL，硫酸钠的浓度为3.3～26.7mg/mL。

更优选地，制备氧化铁纳米棒基底时，所述反应产物经洗涤后再进行高温煅烧。具体的，所述洗涤为用乙醇和蒸馏水交替洗涤3到6次。