一种碳材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种碳材料的制备方法，即以过渡金属离子作为催化剂，以有机溶剂为碳源，电化学合成碳材料的制备方法。即直接在有机溶剂中添加一定量过渡金属离子盐作为催化剂，在外加直流高压的作用下，在阴极极板上电化学合成碳材料，然后用稀盐酸水溶液直接溶解，再依次用同样浓度的稀盐酸水溶液、乙醇分别离心洗涤，干燥即得碳材料。本方法即以过渡金属离子作为催化剂，采用外加高压电场，常温、常压下,有机溶剂为碳源合成碳材料。该方法具有操作简单、反应条件易控制等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，特别涉及一种在过渡金属离子的催化作用下，以有机溶剂作为碳源，电化学合成碳材料的制备方法。
技术介绍
近些年来，包括金刚石、富勒烯、碳纳米管、碳纤维和石墨烯等碳材料的制备与表征受到了大家的广泛关注，它们被广泛的应用于能源材料，包括传感器、太阳能电池、超级电容器和锂离子电池等领域。在这些材料中，尤其是石墨烯因其较好的导电性、比表面积大、强机械性能等优异的性能而备受关注。 尽管基于碳材料的制备有着许多成功的先例，但是有效、快捷且可靠的方法仍然缺乏。例如像金刚石的制备一般是在高温高压下合成的，而石墨烯的制备，通常会采用液相机械剥离、气相沉积或氧化石墨还原等方法来完成，这些方法有繁琐的，也有条件苛刻的，因此需要开发更加快捷、简单且有效的方法。于是，最近提出了通过有机和物理混合的方法来制备层状石墨化碳材料，即通过一些有机合成的方法来获得活性分子前驱体，然后在物理刺激下得到纳米碳材料。 如Isabelle Levesque等报道了在低温、无催化剂的条件下，将含有三个丁二炔单元的有机物嵌入低聚物骨架中得到线性低聚物，然后通过分离苯基得到活性分子前驱体，最后在加热或超声的物理刺激中得到层状石墨碳材料(Isabelle Levesqueetal.Layered graphitic materials from a molecular precursor.ChemicalScience, 2014, 5，831-836)，产率可达68%。虽然此方法很新颖，但是该层状石墨碳材料的制备方法，其工艺比较繁琐，方法比较复杂。 【专利技术内容】 本专利技术的目的是为了解决上述利用有机物作为碳源制备碳材料方法复杂、工艺繁琐等技术问题而提供一种在过渡金属离子的催化作用下，以有机溶剂作为碳源，电化学合成进行碳材料的制备方法，该制备方法具有操作简单、反应条件易控制等优点。 本专利技术的技术方案，即以过渡金属离子作为催化剂，以有机溶剂为碳源，通过电化学反应得到碳材料，其制备过程具体包括以下步骤:(I)、阴极基底的前处理取金属箔作为沉积基底，使用除油液超声30min后放在氮气氛围下的马弗炉中控制温度为600°C,退火处理4_6h后，自然冷却至室温,将退火处理后的金属箔进行电化学抛光；所述的金属箔为铜箔、铝箔或不锈钢箔；当金属箔采用铜箔时，其电化学抛光过程如下:用金属箔作为阳极，铅板作为阴极，电解液为由磷酸和水按体积比计算，即H3PO4 =H2O为7:3组成的混合液，在温度为30-40°C的水浴中，恒定电压为2.2-2.6V下，抛光5_10min后，先后用去离子水和乙醇将表面冲洗干净，最后用氮气吹干，即得经电化学抛光的铜箔。 当金属箔采用铝箔时，其电化学抛光过程如下:用铝箔作为阳极，铅板作为阴极，电解液为由磷酸、硫酸、乙二醇和水按体积比计算，即H2O =H3PO4 =H2SO4:乙二醇为60:30:8:2组成的混合液，在温度为85_90°C的水浴中，保持阳极电流密度为20-30A/dm2，抛光5-10min后，先后用去离子水和乙醇将表面冲洗干净，最后用氮气吹干，即得经电化学抛光的铝箔。 当金属箔采用不锈钢箔时，其电化学抛光过程如下:用不锈钢箔作为阳极，铅板作为阴极，电解液为由磷酸、硫酸和水按体积比计算，即H3PO4 =H2SO4 =H2O为5:3:2组成的混合液，在温度为50_60°C的水浴中，保持阳极电流密度为20-100A/dm2,抛光5_10min后,先后用去离子水和乙醇将表面冲洗干净,最后用氮气吹干，即得经电化学抛光的不锈钢箔；(2)、有机电解液的制备将过渡金属离子盐溶解于有机溶剂中，得到浓度为0.l-500mmol/L，优选为0.2-0.6mmol/L的过渡金属离子盐溶液；所述的过渡金属离子盐为Mn2+、Fe3+、Co2+或Ni2+等的硝酸盐；所述的有机溶剂为沸点150-300°C的极性溶剂；所述的极性溶剂为吡咯、吡唆、吡咯烷酮系列、吡咯同系物、吡咯同系物中的一种或两种以上组成的混合溶剂；所述的吡咯烷酮系列为1-甲基-2-卩比咯烷酮、1-乙基-2-卩比咯烷酮、2-吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮或聚乙烯基吡咯烷酮；所述的吡啶同系物为α-甲基吡唆、β-甲基吡唆、Y-甲基吡啶、2，6_ 二甲基吡啶或2，5-二甲基吡啶等；所述的吡咯同系物为N-苯基吡咯烷、N-甲基-3-吡咯烷醇或1-乙基-2-氨甲基四氢吡咯；优选所述的极性溶剂为1-甲基-2-吡咯烷酮(ΝΜΡ)、吡咯或1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)和吡咯组成的混合溶剂；(3 )、电化学合成碳材料以钼或不锈钢作为阳极，以步骤(I)中电化学抛光后的金属箔作为阴极，以步骤(2)所得的过渡金属离子盐溶液为电解液，在温度为40-60°C的水浴中，磁力条件下控制搅拌转速为60-100r/min进行电化学反应10_20min后,在阴极材料金属箔的表面得到一层碳材料；所述的电化学反应过程控制阴、阳极片之间的间距为l_5mm，外加电压为200-400V ；(4)、将步骤(3)所得的阴极材料金属箔的表面用稀盐酸水溶液直接溶解，再依次用同样浓度的稀盐酸水溶液、乙醇分别离心洗涤三遍后，置于80°C烘箱干燥12h，即得碳材料，其相对于碳源有机溶剂的产率最高可达87.5% ；所用稀盐酸水溶液的浓度为0.1-lmol/L的盐酸水溶液。 本专利技术的有益效果本专利技术的，即直接在有机溶剂中添加一定量过渡金属离子盐作为催化剂，在外加直流高压的作用下，在阴极极板上电化学合成碳材料，然后用稀盐酸水溶液直接溶解，再依次用同样浓度的稀盐酸水溶液、乙醇分别离心洗涤，干燥即得碳材料。由于本专利技术的制备方法是在外加高压电场，常温、常压下，有机溶剂为碳源合成的碳材料，因此该方法具有操作简单、反应条件易控制等优点。 【附图说明】 图1、实施例1所得碳材料的高分辨率透射电镜图；图2、实施例1所得碳材料的能谱分析图；图3、实施例1所得碳材料的傅立叶红外光谱图；图4、实施例1所得碳材料的拉曼光谱图；图5、实施例2中电化学合成后阴极铜箔表面得到产物的拉曼光谱图；图6、实施例3中电化学合成后阴极铜箔表面得到产物的拉曼光谱图。 【具体实施方式】 下面通过具体实施例并结合附图对本专利技术进一步阐述，但并不限制本专利技术。 本专利技术的各实施例中所得的碳材料相对于所用的碳源即有机溶剂的产率的计算公式如下:产率=m2/miX 100%，其中Hi1是指消耗有机溶剂的总含碳量，m2是指得到产物的总含碳量;实施例1，即以过渡金属离子作为催化剂，以有机溶剂为碳源，通过电化学反应得到碳材料，其制备过程具体包括以下步骤:(1)、阴极基底的前处理取金属箔作为沉积基底，使用除油液超声30min后放在氮气氛围下的马弗炉中控制温度为600°C，退火处理4h后，自然冷却至室温，将退火处理后的金属箔进行电化学抛光；所述的金属箔为铜箔；上述的铜箔电化学抛光过程如下:用金属箔作为阳极，铅板作为阴极，电解液为由磷酸和水按体积比计算，即H3PO4 =H2O为7:3组成的混合液，在温度为30-40°C的水浴中，恒定电压为2.2V下，抛光5min后，先后用去离子水和乙醇将表面冲洗干净，最后用氮气吹干，即得经电化学抛光的铜箔；(2)、有机电解液的制备将过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳材料的制备方法，其特征在于所述的碳材料的制备方法即以过渡金属离子作为催化剂，以有机溶剂为碳源，通过电化学反应得到碳材料，其制备过程具体包括以下步骤：（1）、阴极基底的前处理取金属箔作为沉积基底，使用除油液超声30min后放在氮气氛围下的马弗炉中控制温度为600℃，退火处理4‑6h后，自然冷却至室温，将退火处理后的金属箔进行电化学抛光；所述的金属箔为铜箔、铝箔或不锈钢箔；（2）、有机电解液的制备将过渡金属离子盐溶解于有机溶剂中，得到浓度为0.1‑500mmol/L的过渡金属离子盐溶液；所述的过渡金属离子盐为Mn2+、Fe3+、Co2+或Ni2+的硝酸盐，所述的有机溶剂为沸点150‑300℃的极性溶剂；所述的极性溶剂为吡咯、吡啶、吡咯烷酮系列、吡咯同系物、吡咯同系物中的一种或两种以上组成的混合溶剂；所述的吡咯烷酮系列为1‑甲基‑2‑吡咯烷酮、1‑乙基‑2‑吡咯烷酮、2‑吡咯烷酮、N‑乙烯基吡咯烷酮或聚乙烯基吡咯烷酮； 所述的吡啶同系物为α‑甲基吡啶、β‑甲基吡啶、γ‑甲基吡啶、2，6‑二甲基吡啶或2，5‑二甲基吡啶；所述的吡咯同系物为N‑苯基吡咯烷、N‑甲基‑3‑吡咯烷醇或1‑乙基‑2‑氨甲基四氢吡咯；（3）、电化学合成碳材料以铂或不锈钢作为阳极，以步骤（1）中电化学抛光后的金属箔作为阴极，以步骤（2）所得的过渡金属离子盐溶液为电解液，在温度为40‑60℃的水浴中，磁力条件下控制搅拌转速为60‑100r/min进行电化学反应10‑20min后，在阴极材料金属箔的表面得到一层碳材料；所述的电化学反应过程控制阴、阳极片之间的间距为1‑5mm，外加电压为200‑400V；（4）、将步骤（3）所得的阴极材料金属箔的表面用稀盐酸水溶液直接溶解，再依次用同样浓度的稀盐酸水溶液、乙醇分别离心洗涤三遍后，置于80℃烘箱干燥12h，即得碳材料。...

【技术特征摘要】
1.一种碳材料的制备方法，其特征在于所述的碳材料的制备方法即以过渡金属离子作为催化剂，以有机溶剂为碳源，通过电化学反应得到碳材料，其制备过程具体包括以下步骤: (1)、阴极基底的前处理 取金属箔作为沉积基底，使用除油液超声30min后放在氮气氛围下的马弗炉中控制温度为600°C,退火处理4_6h后，自然冷却至室温,将退火处理后的金属箔进行电化学抛光；所述的金属箔为铜箔、铝箔或不锈钢箔； (2)、有机电解液的制备 将过渡金属离子盐溶解于有机溶剂中，得到浓度为0.l-500mmol/L的过渡金属离子盐溶液； 所述的过渡金属离子盐为Mn2+、Fe3+、Co2+或Ni2+的硝酸盐，所述的有机溶剂为沸点150-300°C的极性溶剂； 所述的极性溶剂为吡咯、吡唆、吡咯烷酮系列、吡咯同系物、吡咯同系物中的一种或两种以上组成的混合溶剂； 所述的吡咯烷酮系列为1-甲基-2-卩比咯烷酮、1-乙基-2-卩比咯烷酮、2-吡咯烷酮、N-乙烯基吡咯烷酮或聚乙烯基吡咯烷酮； 所述的吡啶同系物为α-甲基吡唆、β-甲基吡唆、Y-甲基吡啶、2，6_ 二甲基吡啶或2，5-二甲基吡啶； 所述的吡咯同系物为N-苯基吡咯烷、N-甲基-3-吡咯烷醇或1-乙基-2-氨甲基四氢吡咯； (3 )、电化学合成碳材料 以钼或不锈钢作为阳极，以步骤(I)中电化学抛光后的金属箔作为阴极，以步骤(2)所得的过渡金属离子盐溶液为电解液，在温度为40-60°C的水浴中，磁力条件下控制搅拌转速为60-100r/min进行电化学反应10_20min后,在阴极材料金属箔的表面得到一层碳材料；所述的电化学反应过程控制阴、阳极片之间的间距为l_5mm，外加电压为200-400V ； (4)、将步骤(3)所得的阴极材料金属箔的表面用稀盐酸水溶液直接溶解，再依次用同样浓度的稀盐酸水溶液、乙醇分别离心洗涤三遍后，置于80°C烘箱干燥12h，即得碳材料。2.如权利要求1所述碳材料的制备方法，其特征在于步骤(I)中所述的金属箔进行电化学抛光，当金属箔采用铜箔时，其电化学的抛光过程如下: 用金属箔作为阳极，铅板作为阴极，电解液为由磷酸和水按体积比计算，即H3PO4 =H2O为7:3组成的混合液，在温度为30-40°C的水浴中，恒定电压为2.2-2.6V下，抛光5_10min后，先后用去离子水和乙醇将表面冲洗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张全生，李硕，雷天辉，程素贞，闵凡奇，党国举，王淼，王昭勍，李细方，
申请(专利权)人：上海应用技术学院，
类型：发明
国别省市：上海;31