本發(fā)明屬于碳材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)薄層碳的制備及其用途。

背景技術(shù)：

碳元素是與人類生產(chǎn)生活活動(dòng)最密切相關(guān)的元素之一，其多樣電子軌道特性使其具有豐富的成鍵雜化形式，使得其成為唯一的可以完成以單一元素構(gòu)建從零維富勒烯到一維碳納米管到二維石墨烯再到三維金剛石及各種多孔碳材料的元素。現(xiàn)如今在合成碳材料的過(guò)程中，碳的厚度很難控制，因?yàn)槌商挤磻?yīng)一經(jīng)發(fā)生，就很難終止，所以碳材料厚度的控制變成了很大的難題。我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)脫除鹵素的方式制備碳材料，可以得到薄層碳，這是由于水滑石(復(fù)合雙金屬氫氧化物)或氫氧化物或氧化物是堿性物質(zhì)，可以作為脫鹵劑促進(jìn)聚偏二氯乙烯的脫氯反應(yīng)，同時(shí)合成的水滑石或氫氧化物或氧化物是六方片狀結(jié)構(gòu)，可以作為模板劑，聚偏二氯乙烯在其表面均勻包覆，并最終由于和脫鹵劑分隔得到與模板厚度接近的薄層碳材料。通過(guò)焙燒，洗滌等步驟，除去水滑石或氫氧化物或氧化物，即得到表面積大，孔道豐富，雜原子摻雜的薄層碳材料，具有很好的電催化性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明得到的薄層碳材料的制備是通過(guò)球磨法，通過(guò)聚偏二氯乙烯對(duì)于片狀水滑石/氫氧化物/氧化物的包敷，在惰性氣體保護(hù)下于管式爐中以5-10℃/min的升溫速率升至600-800℃煅燒1-2h；制備的具有大比表面積、孔徑分布均勻的薄層碳材料，將該薄層碳材料制備成電極，在鋅空氣電池中進(jìn)行測(cè)試。

一種薄層碳，其特征在于，是一種氮均勻摻雜的、具有透明度的、多孔無(wú)定型碳薄膜。

本發(fā)明提供一種薄層碳的制備方法，包括如下步驟：

(1)制備模板，采用硝酸鈷、硝酸鋁、硝酸鋅、硝酸鎂中的一種或幾種和尿素混合，采用水熱法制備水滑石模板或氫氧化物模板或氧化物模板；優(yōu)選鈷鋁水滑石模板。

(2)將步驟(1)制備的模板與偏聚二氯乙烯、三聚氰胺混合，氮，氮二甲基甲酰胺為溶劑球磨；優(yōu)選模板與偏聚二氯乙烯的質(zhì)量比為1:2-2:1，進(jìn)一步優(yōu)選為1:1；模板與三聚氰胺的質(zhì)量比為1：(0.1-1.5)，優(yōu)選為1:0.5；

(3)對(duì)步驟(2)得到的前驅(qū)體在惰性氣體保護(hù)下高溫煅燒，洗滌后即可得到薄層碳；

優(yōu)選的，所選用的惰性氣體為氬氣。

在惰性氣體保護(hù)下于管式爐中以5-10℃/min的升溫速率升至600-800℃煅燒1-2h。

本發(fā)明第三方面提供所述的薄層碳用于電極催化氧氣還原反應(yīng)的用途，以及在鋅空氣電池方面的用途。

對(duì)于本發(fā)明的產(chǎn)物進(jìn)行表征:掃描電鏡照片(附圖1)顯示，所合成的鈷鋁水滑石形貌為六方片型，比較薄，(附圖2)顯示為合成后的薄層碳，從形貌中可以看出該材料在薄厚程度上接近于透明化(如蟬翼式的透明材料)。(附圖3)顯示在透射電鏡下該碳材料的形貌為多孔，且孔的形狀接近于水滑石，從另一方面說(shuō)明水滑石可以作為合成多孔碳的模板。xrd譜圖(附圖4)顯示其在25°處有明顯的衍射峰，說(shuō)明該材料為無(wú)定型碳材料。拉曼圖譜(附圖5)顯示所合成的碳材料為高度石墨化。x光電子能譜中(附圖6)顯示其含碳量高達(dá)84.0at.％，剩余的元素含量幾乎被氧元素和氮元素所占據(jù)。

通過(guò)使用所合成的薄層碳材料制備的電極催化氧氣還原反應(yīng)的測(cè)試，表明其具有非常高的活性(附圖7，附圖8)。將該材料制備成電極在鋅空氣電池裝置中測(cè)試具有很好的性能(附圖9)。

本發(fā)明的有益效果

1、本發(fā)明的制備方法原材料成本低廉、來(lái)源廣泛，可以很好的控制碳材料的厚度，反應(yīng)操作簡(jiǎn)單、安全性高、后處理易行，極易適用工業(yè)擴(kuò)大生產(chǎn)。

2、本發(fā)明具有薄層碳材料在氧氣還原反應(yīng)的催化中具有非常優(yōu)秀的性能，同時(shí)在鋅空氣電池中測(cè)試也具有非常優(yōu)異的性能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的具有六方結(jié)構(gòu)的薄層鈷鋁水滑石掃描電鏡圖。

圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的掃描電鏡圖。

圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的透射電鏡圖。

圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的xrd譜圖。

圖5為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的raman譜圖。

圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的xps元素圖。

圖7為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的催化氧氣還原反應(yīng)的循環(huán)伏安圖。

圖8為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的催化氧氣還原反應(yīng)的線性伏安圖。

圖9為本發(fā)明實(shí)施例1的具有薄層碳材料的鋅空氣電池充放電性能圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于以下實(shí)施例。

實(shí)施例1

1.將0.58g六水合硝酸鈷，0.27g六水合硝酸鋁，0.5g尿素，溶解于去離子水中，在120°下水熱反應(yīng)12小時(shí)，水洗后得到鈷鋁水滑石。

2.取1.0g鈷鋁水滑石，1.0g偏聚二氯乙烯，0.5g三聚氰胺，混合在氮氮二甲基甲酰胺，球磨反應(yīng)4個(gè)小時(shí)。

3.干燥所得的前驅(qū)物，在惰性氣體保護(hù)下，升溫至600℃，升溫速率選取10℃每分鐘，保溫1小時(shí)。待降至室溫，取出焙燒樣品，即得薄層碳材料。

所得的具有薄層碳材料作為催化氧氣還原反應(yīng)的電極材料使用，進(jìn)行催化氧氣還原反應(yīng)的測(cè)試，具有非常高的活性。在鋅空氣電池中具有很好的性能。

實(shí)施例2

除參加反應(yīng)的物質(zhì)的使用量：將六水合硝酸鋁除去，其他與實(shí)施例1同。

實(shí)施例3

除參加反應(yīng)的物質(zhì)的使用量：將六水合硝酸鈷換為六水合硝酸鎂，其他與實(shí)施例1同。

實(shí)施例4

除參加反應(yīng)的物質(zhì)的使用量：將六水合硝酸鋁換為六水合硝酸鋅，其他與實(shí)施例1同。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種實(shí)現(xiàn)薄層碳的制備方法及其用途，屬于碳材料的制備及應(yīng)用領(lǐng)域。是一種氮均勻摻雜的、具有透明度的、多孔無(wú)定型碳薄膜；薄層碳材料是將六水合硝酸金屬鹽和尿素混合在水熱條件下合成六方片狀水滑石或氫氧化物或氧化物，水洗后與偏聚二氯乙烯、三聚氰胺在有機(jī)溶劑下球磨反應(yīng)，干燥后得到前驅(qū)體，在惰性氣體保護(hù)中于管式爐中以5?10℃/min的升溫速率升至600?800℃煅燒1?2h；制備的具有大比表面積、孔徑分布均勻的薄層碳材料，將該薄層碳材料制備成電極，在鋅空氣電池中進(jìn)行測(cè)試。

技術(shù)研發(fā)人員：常錚;李昊遠(yuǎn);孫曉明;張國(guó)新;張聰
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京化工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.18
技術(shù)公布日：2017.11.03