一种基于自下而上分子组装的纳米炭片、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种自下而上基于分子组装的纳米炭片、制备方法及应用。以有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛、有机胺为原料，水为溶剂，经过分子自组装、聚合得到圆形、梭形、菱形、带状的聚合物片；经惰性气保护下炭化，得到纳米炭片；经惰性气保护下活化，可得到富含微孔纳米炭片。该方法制备的纳米炭片和富含微孔纳米炭片在天然气的净化分离以及超级电容器储能器件中表现出良好的性能，具有很大的应用潜力和市场前景。

Carbon nano sheet based on bottom-up molecular assembly, preparation method and application thereof

The invention discloses a nanometer carbon sheet from bottom to top based on molecular assembly, a preparation method and application thereof. The organic phase-change material, surface active agent, phenol, aldehyde, organic amine as raw material, water as solvent, through molecular self-assembly, polymerization, polymer sheet, circular shuttle shaped diamond, under the protection of inert gas; after carbonization, nano carbon films; the inert gas can be obtained under the protection of activation. Rich in micro nano carbon film. The preparation of nano carbon sheet and microporous carbon nano sheet in the separation and purification of natural gas and super capacitor energy storage devices show good performance, has great application potential and market prospects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及圆形、梭形、菱形、带状的纳米聚合物片、炭片的可控制备及应用，更具体的说是涉及一种自下而上基于分子自组装方法制备形貌可控、尺寸均匀，厚度均一的纳米炭片及其应用。
技术介绍
天然气因无色无味无毒、热值高、燃烧稳定，一直被公认为洁净环保的优质能源。同时，天然气也是重要的化工原料，目前天然气直接转化制取烯烃和高值化学品用以缓解石油短缺带来的烯烃原料缺乏更是引起世界各国的广泛关注。但是天然气中除主要成分甲烷外，还含有少量的乙烷、丙烷、丁烷，和酸性气体硫化氢、二氧化碳，以及氮和水汽等。为了增加天然气中的热容量、减少输送管路、使用设备的腐蚀和防止对空气的污染，必须将这些杂质气体在使用或输送前从天然气中除去。目前存在的技术中，物理吸附法作为干法工艺，相比于传统的化学吸附法表现出很多优点，比如易再生、低能耗、腐蚀性小、操作易实现自动化等，可应用于变温吸附或者变压吸附过程。从原理上讲，物理吸附法是基于客体分子与多孔固体吸附剂表面活性点之间的分子间引力来实现捕获，因此高效的多孔吸附材料是吸附法的核心。近年来，随着能源短缺、环境污染等问题日益突出，人们迫切需求绿色环保的储能设备。为满足电动汽车、移动电子设备对超级电容器的需求，开发出具有高功率密度、快速充放电、长循环稳定性、良好安全性能的电极材料成为当务之急。这就要求电极材料具有利于离子快速传输的单元结构以及能够存储电荷的大比表面积和合适的孔径分布。为同时满足气体吸附分离和超级电容器对材料的要求，一系列具有高比表面积、大孔容、化学稳定性及热稳定性优异、可应用于酸、碱、水汽等复杂环境的多孔炭材料相继被合成并应用。自2004年二维石墨烯被发现以来，科学家相继证实材料维度是决定其物理化学性质的重要因素之一。具有高深宽比结构的二维片层材料因其外比表面积大，扩散路径短，在气体吸附分离体及能源存储等领域表现出优异的性能和良好的应用前景。因此，兼具多孔炭吸附性能好和片层结构扩散吸附速率快的二维多孔炭片也成为研究的热点。中国专利申请号：201210172187.4公开了一种高体积比电容复合石墨烯的多孔炭片，片层单元的形成是基于氧化石墨烯的模板作用。该方法得到的炭片具有三明治结构，垂直于炭片方向的孔道不能完全贯通。中国专利申请号：2012100506368公开了一种动力锂离子电池负极用层次孔结构炭材料及其制备方法，本方法利用原位铜模板法制备层次孔纳米炭片。该方法涉及酸洗除掉铜模板的过程。上述方法，均使用固体模板做片层结构导向剂。目前存在的方法中，还没有关于自下而上基于分子自组装制备多孔纳米炭片的方法这是因为片层结构的表面能高，分子自组装很难控制。。因此，如何开发一种有效、可控的制备方法得到形貌和尺寸均一、厚度可调的多孔炭片是亟需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供制备形貌、尺寸均一，厚度可调，单分散的聚合物片、炭片和多微孔炭片的方法。本专利技术的技术方案：一种基于自下而上分子组装的纳米炭片，该纳米炭片为由有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺组装聚合得到圆形、梭形、菱形或带状的胶 体聚合物片，经炭化或炭化活化得到纳米炭片、多微孔纳米炭片，其片层单元的横向尺寸为0.1-100μm，厚度为10-900nm。所述的纳米炭片的制备方法，以有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺为原料，水为溶剂，通过温度调控的自下而上的分子自组装的方法，经过低温聚合，制备出形貌均一、厚度可调的聚合物片，再进一步炭化热解，得到纳米炭片；步骤如下：①将熔化后的有机相变储热材料迅速加入到含有表面活性剂的水溶液中，在高于有机相变储热材料熔点温度之上，剧烈搅拌，得到半透明白色乳液，其中，有机相变储热材料与表面活性剂的质量比1:10-1.5；②将得到半透明白色乳液在低于有机相变储热材料熔点温度之下静置，得到白色胶体溶液；③将酚、醛、水和有机胺按照比例依次加入白色胶体溶液中，水浴回流搅拌4-24h，产物经过滤、洗涤、干燥得到胶体聚合物片；其中，酚、醛、有机胺和表面活性剂的摩尔比为1:1-3:0.1-2:0.01-0.07，酚与水的质量比为1:200-1:3000；④将胶体聚合物片置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行炭化，得到纳米炭片；所述的炭化方法为用惰性气体保护下，从室温以1-3℃/min升至400℃，恒温120min进行有机相变储热材料的挥发；再以1-5℃/min的升温速率由400℃升至炭化终温500-1200℃，恒温60-240min，炭化得到型态保持的纳米炭片；⑤将胶体聚合物片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米炭片；所述的活化剂与胶体聚合物片层的质量比0.1:1-4:1；⑥将纳米炭片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米炭片；所述的活化剂与纳米炭片的质量比0.1:1-4:1；所述的步骤⑤和步骤⑥的活化温度为500-900℃。所述的表面活性剂为聚乙烯基吡咯烷酮、聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物、失水山梨醇单油酸酯聚氧乙烯醚(Tween 80)、山梨醇酐油酸酯(Span-80)；优选的聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物P123和聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物F127。所述的有机相变储热材料包括石蜡、脂酸类和直链烷烃；优选直链烷烃CnH2n+2(n＝20-40)、脂酸类CnH2n+1COOH(n＝12-30)。所述的的静置温度为10-70℃，静置时间为1-48h。所述的酚为苯酚、间苯二酚、间苯三酚或双酚A；优选苯酚和间苯二酚。所述的醛为甲醛、多聚甲醛、戊二醛或丁醛，甲醛、多聚甲醛常配置为37wt.％的溶液使用，戊二醛常配置为25wt.％的溶液使用；优选甲醛。所述的有机胺为乙二胺、1,4-己二胺、1,6-己二胺、四乙基五胺、二亚乙基二胺或聚乙烯亚胺；优选1,6-己二胺。所述的惰性气体为氩气或氮气。所述的活化剂包括KOH、K2CO3、KHCO3、H2O、CO2、ZnCl2；优选K2CO3。所述的活化剂与胶体聚合物片层的质量比0.1:1-4:1；优选1:1。所述的活化温度为500-900℃，优选700℃。所述的活化剂与纳米炭片的质量比0.1:1-4:1；优选2:1。相比于现有技术，本专利技术的有益效果是提供了一种自下而上基于分子自组装制备形貌、尺寸均一，厚度可调的胶体聚合物片、胶体炭片、多微孔炭片的方法；通过调节酚与有机相变储热材料的质量比，可以调节制备炭片的厚度；这是其他方法很难达到的。本专利技术制备的纳米炭片和多微孔炭片是良好的气体吸附分离剂，可用于天 然中CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8、CO2、H2S、N2、H2的吸附，其中CO2、C2H6吸附效果尤其显著，在25℃,1bar下吸附量分别为5.2mmol g-1和6.0mmol g-1，远优于目前商业化和文献报道的其他吸附材料；可用于CO2/N2，CO2/CH4，CH4/C2H6以及CH4/CO2/C2H6的分离。本专利技术制备的胶体炭片和多微孔炭片是良好的超级电容器电极材料，可用于对称、不对称超级电容器；可选电解液有KOH、H2SO4、NaCl、KCl、MgCl2、Al2(SO4)3。因此，本专利技术得到的炭片有很大的应用潜能和市场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自下而上分子组装的纳米炭片的制备方法，其特征在于，所述的纳米炭片为由有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺组装聚合得到圆形、梭形、菱形或带状的胶体聚合物片，经炭化或炭化活化得到纳米炭片、多微孔纳米炭片，片层单元的横向尺寸为0.1‑100μm，厚度为10‑900nm；所述的纳米炭片的制备过程如下：①将熔化后的有机相变储热材料迅速加入到含有表面活性剂的水溶液中，在高于有机相变储热材料熔点温度之上，剧烈搅拌，得到半透明白色乳液，其中，有机相变储热材料与表面活性剂的质量比1:10‑1:1.5；②将得到半透明白色乳液在低于有机相变储热材料熔点温度之下静置，得到白色胶体溶液；③将酚、醛、水和有机胺按照比例依次加入白色胶体溶液中，水浴回流搅拌4‑24h，产物经过滤、洗涤、干燥得到胶体聚合物片；其中，酚、醛、有机胺和表面活性剂的摩尔比为1:1‑3:0.1‑2:0.01‑0.07，酚与水的质量比为1:200‑1:3000；④将胶体聚合物片置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行炭化，得到纳米炭片；所述的炭化方法为用惰性气体保护下，从室温以1‑3℃/min升至400℃，恒温120min进行有机相变储热材料的挥发；再以1‑5℃/min的升温速率由400℃升至炭化终温500‑1200℃，恒温60‑240min，炭化得到型态保持的纳米炭片；⑤将胶体聚合物片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米炭片；所述的活化剂与胶体聚合物片层的质量比0.1:1‑4:1；⑥将纳米炭片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米炭片；所述的活化剂与纳米炭片的质量比0.1:1‑4:1；所述的步骤⑤和步骤⑥的活化温度为500‑900℃。...

【技术特征摘要】
1.一种基于自下而上分子组装的纳米炭片的制备方法，其特征在于，所述的纳米炭片为由有机相变储热材料、表面活性剂、酚、醛和有机胺组装聚合得到圆形、梭形、菱形或带状的胶体聚合物片，经炭化或炭化活化得到纳米炭片、多微孔纳米炭片，片层单元的横向尺寸为0.1-100μm，厚度为10-900nm；所述的纳米炭片的制备过程如下：①将熔化后的有机相变储热材料迅速加入到含有表面活性剂的水溶液中，在高于有机相变储热材料熔点温度之上，剧烈搅拌，得到半透明白色乳液，其中，有机相变储热材料与表面活性剂的质量比1:10-1:1.5；②将得到半透明白色乳液在低于有机相变储热材料熔点温度之下静置，得到白色胶体溶液；③将酚、醛、水和有机胺按照比例依次加入白色胶体溶液中，水浴回流搅拌4-24h，产物经过滤、洗涤、干燥得到胶体聚合物片；其中，酚、醛、有机胺和表面活性剂的摩尔比为1:1-3:0.1-2:0.01-0.07，酚与水的质量比为1:200-1:3000；④将胶体聚合物片置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行炭化，得到纳米炭片；所述的炭化方法为用惰性气体保护下，从室温以1-3℃/min升至400℃，恒温120min进行有机相变储热材料的挥发；再以1-5℃/min的升温速率由400℃升至炭化终温500-1200℃，恒温60-240min，炭化得到型态保持的纳米炭片；⑤将胶体聚合物片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米炭片；所述的活化剂与胶体聚合物片层的质量比0.1:1-4:1；⑥将纳米炭片与活化剂混合物置于炭化炉中，在惰性气体保护条件下进行活化，得到多微孔纳米...

【专利技术属性】
技术研发人员：陆安慧，张鲁华，李文翠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21