一种碳纳米材料的合成方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种碳纳米材料的合成方法，包括步骤：A)将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；C)将所述第一碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。同时，本申请还提供了一种碳纳米材料的合成方法，在步骤A)中包括原料SiO

Synthesis method and application of carbon nano material

The invention provides a synthesis method of a carbon nano material comprising the steps of: A) are small organic molecules, transition metal salt and solvent, and the solvent is removed and the obtained mixture; B) the mixture of high temperature pyrolysis, the first carbon nano materials; C) the first carbon nano materials the etching to etch away the metal particles, get the second carbon nano materials; D) the second carbon nano materials by high temperature pyrolysis, carbon nano materials. At the same time, the present invention also provides a method for synthesizing carbon nanomaterials, comprising the raw material SiO in step A

【技术实现步骤摘要】
一种碳纳米材料的合成方法与应用
本专利技术涉及纳米材料
，尤其涉及碳纳米材料的合成方法与应用。
技术介绍
碳材料由于具有优异的化学稳定性、热稳定性与高的导电性等性能，广泛应用于许多科学
，包括水的净化、催化、分离、气体传感、采集、储能(燃料电池、超级电容器、锂硫电池)等方面。通常，碳材料合成是对有机前驱体的直接碳化。研究表明，有机前驱体的化学性质影响到最终碳材料的结构、性质和性能。碳材料有特征的结构性质，比如，从无定型的碳到完全有序的石墨晶体结构，它们的物理性质，比如介观有序、比表面积、孔体积与石墨化程度，碳前驱体的官能团都会影响它们的电化学性能，同时含杂原子的前驱体，比如N、S或O的掺杂对碳材料的导电性、碱性和氧化稳定性，甚至在稳定贵金属方面都具有显著地效果。目前，合成碳材料的方法主要有：1)通过对一些天然或人工合成的聚合物进行碳化形成碳材料，比如：聚丙烯腈和酚醛树脂等。但是它们有一些弊端-聚合物形成过程中的分散性不好以及复杂的合成途径：在碳化之前的预聚合过程中，酸或者金属催化剂的添加是必要的；聚合步骤缓慢和不纯的催化剂对于实际生产是不利的；2)一些高挥发性的小分子比如苯或乙腈，通过化学沉积法(CVD)合成碳材料，但是需要苛刻的条件；3)最近，离子液体受到科学研究者的关注，成为了一种合成碳材料的新方法，但是只有极少数的氰基/含腈非质子性的离子液体可以形成碳材料；4)在非质子性离子液体的基础上，一种新型的离子液体-质子化的离子液体，通过含氮的有机小分子与碱形成质子化的离子液体/离子盐，形成碳材料；但是选取合成的离子液体的有机分子只能含有N的杂原子，所以合成出的碳材料受到一定程度的限制。上述合成碳材料的方法不具有普适性，且条件苛刻。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题在于提供一种碳纳米材料的合成方法，本申请提供的碳纳米材料的合成方法具有普适性。本申请提供了一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；C)，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。本申请还提供了一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、SiO2小球、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；B)＇，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀，得到具有介孔的碳纳米材料；C)，将所述具有介孔的碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。优选的，所述有机小分子选自双氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、邻苯二胺、1,10-菲罗啉、菲、2,2'-双噻吩、5,5’-二溴-2,2’-联噻吩、4,4'-二溴-2,2'-联吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲罗啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-联吡啶中的一种或多种。优选的，所述过渡金属盐选自Co(NO3)2·6H2O、Fe(NO3)3·9H2O、AgNO3、Cu(NO3)2·3H2O或Ni(NO3)2·6H2O。优选的，步骤C)中，所述刻蚀的刻蚀剂为酸性溶液。优选的，步骤B)具体为：在氩气或氮气的保护气氛下，将所述混合物以2～10℃/min升至600～1000℃，保持1～4h；再以2～10℃/min降至400～600℃，自然冷却，得到第一碳纳米材料。优选的，步骤D)具体为：在氢气与氩气的保护气氛下，将所述第二碳纳米材料以2～10℃/min升至600～1000℃，保持1～4h，再以2～10℃/min降至500℃，自然冷却，得到碳纳米材料。优选的，步骤中，所述刻蚀的刻蚀剂为碱性溶液。优选的，步骤B)＇具体为：将所述第一碳纳米材料进行第一次碱刻蚀36～48h，再于8000r～10000r速度下进行离心，将离心后的下层固体进行第二次碱刻蚀，得到具有介孔的碳纳米材料。本申请提供了上述方案所述的合成方法所合成的碳纳米材料在电催化或有机催化中作为催化剂的应用。本申请提供了一种碳纳米材料的合成方法，具体为：将有机小分子、过渡金属盐与有机溶剂混合后，进过高温热解，再经过刻蚀以去除碳纳米材料表面的金属颗粒，最后再进行高温热解，得到具有孔结构且掺杂金属和杂原子的碳基纳米材料；本申请还提供了一种碳纳米材料的合成方法，具体为：将有机小分子、过渡金属盐、SiO2小球与溶剂混合，再进行高温碳化，然后依次刻蚀掉SiO2模板与残留的金属颗粒，最后进行高温处理，得到具有介孔且掺杂不同金属与杂原子的碳基纳米材料。本申请提供的碳纳米材料原料易得，且反应条件温和，适用性广。进一步的，本申请制备的碳纳米材料中碳包裹的金属具有催化活性，使其作为催化剂具有较好的催化活性；同时在另一个方案中，碳纳米材料中具有的介孔可为催化反应提供更多的比表面积，即提供了更多的活性中心；且小分子有机物形成的碳已高度石墨化，因此本申请提供的碳纳米材料作为催化剂具有较好的活性与稳定性。附图说明图1为本专利技术实施例1制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；图2为本专利技术实施例2制备的碳纳米材料的扫描电镜照片；图3为本专利技术实施例1制备的碳纳米材料的透射电镜照片；图4为本专利技术实施例2制备的碳纳米材料的透射电镜照片；图5为本专利技术实施例1制备的碳纳米材料的BET曲线图；图6为本专利技术实施例2制备的碳纳米材料的BET曲线图；图7为本专利技术实施例3制备的碳纳米材料用于有机催化5次循环前后的转化率与选择性的柱状图；图8为本专利技术实施例4制备的碳纳米材料用于电催化的ORR测试在进行2000次循环伏安扫描前后的线性伏安扫描曲线图。具体实施方式为了进一步理解本专利技术，下面结合实施例对本专利技术优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本专利技术的特征和优点，而不是对本专利技术权利要求的限制。本专利技术实施例公开了一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；C)，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。本申请提供了一种通过金属盐协助碳化有机小分子来制备碳纳米材料的方法，本申请提供的合成方法原料易得，且操作简单，可实现规模化制备，因此该方法具有普适性。在制备碳纳米材料的过程中，本申请首先将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；此过程是为了使原料充分混合，得到一种均匀的混合物；所述去除溶剂的方法为本领域技术人员熟知的技术手段，对此本申请没有特别的限制，示例的，所述去除溶剂的方法为旋蒸。所述有机小分子为本领域技术人员熟知的有机小分子，具体的，所述有机小分子选自双氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、邻苯二胺、1,10-菲罗啉、菲、2,2'-双噻吩、5,5’-二溴-2,2’-联噻吩、4,4'-二溴-2,2'-联吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲罗啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-联吡啶中的一种或多种；在具体实施例中，所述有机小分子选自邻苯二胺本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；C)，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。

【技术特征摘要】
1.一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；C)，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。2.一种碳纳米材料的合成方法，包括以下步骤：A)，将有机小分子、SiO2小球、过渡金属盐与溶剂混合，再去除溶剂，得到混合物；B)，将所述混合物进行高温热解，得到第一碳纳米材料；B)＇，将所述第一碳纳米材料进行刻蚀，得到具有介孔的碳纳米材料；C)，将所述具有介孔的碳纳米材料进行刻蚀以刻蚀掉金属颗粒，得到第二碳纳米材料；D)，将所述第二碳纳米材料进行高温热解，得到碳纳米材料。3.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述有机小分子选自双氰胺、三聚氰胺、四甲基咪唑、邻苯二胺、1,10-菲罗啉、菲、2,2'-双噻吩、5,5’-二溴-2,2’-联噻吩、4,4'-二溴-2,2'-联吡啶、2,6-二(2-苯并咪唑基)吡啶、3,8-二溴-1,10-菲罗啉、2,2'-二嘧啶和2,2'-联吡啶中的一种或多种。4.根据权利要求1或2所述的合成方法，其特征在于，所述过渡金属盐选自Co(N...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁海伟，许实龙，吴振禹，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34