一种制备硫掺杂类石墨烯介孔碳纳米材料的方法技术

本技术发明专利技术涉及硫掺杂介孔碳纳米材料的制备。多孔碳纳米材料在超级电容器、锂离子电池负极、催化、吸附等领域有着很高的应用价值。本发明专利技术利用镁粉与二硫化碳气体的热还原反应得到介孔的类石墨烯结构碳纳米材料，能够实现高质量类石墨烯碳材料的大产量制备。将液体二硫化碳用氩气鼓泡，其挥发蒸汽被带入反应腔体中，在550‑650℃温度范围内与镁粉反应，得到碳纳米材料和硫化镁的混合物。将产物依次水洗和酸洗，冷冻干燥后得到疏松轻质的类石墨烯碳纳米材料，硫掺杂的元素百分比约6％。通过消耗镁粉还原二硫化碳的方法来制备碳纳米材料，具有成本低产量高之优势，而且引入的硫掺杂有利于该材料在电化学储能电极方面的应用。 1

A method for preparing sulfur doped graphene mesoporous carbon nanomaterials

The invention relates to the preparation of sulfur doped mesoporous carbon nanomaterials. Porous carbon nanomaterials have very high application value in supercapacitors, lithium ion batteries, catalysis, adsorption and other fields. The present invention uses the thermal reduction reaction of magnesium powder and carbon disulfide gas to obtain mesoporous graphene like structure carbon nanomaterials, which can achieve large production of high quality graphene like carbon materials. The liquid carbon disulfide was bubbled with argon, and the vapour vapour was brought into the reaction chamber. The mixture of carbon nanomaterials and magnesium sulfide was obtained at the temperature range of 550 and 650 degrees C. The products were washed and pickled in turn. After freezing and drying, loose and light graphene carbon nanomaterials were obtained. The percentage of sulfur doped elements was about 6%. Carbon nanomaterials are prepared by reducing carbon disulfide by using magnesium powder, which has the advantages of low cost and high yield, and the introduction of sulfur doping is beneficial to the application of the material in the electrochemical energy storage electrode. One

【技术实现步骤摘要】
一种制备硫掺杂类石墨烯介孔碳纳米材料的方法
本专利技术属于功能碳纳米材料领域，主要内容是一种制备类石墨烯碳纳米材料的技术。通过利用镁粉与二硫化碳蒸汽的高温反应，生成了碳与硫化镁混合产物。经过酸洗处理后，得到硫掺杂的介孔碳纳米材料。该方法工艺简单、成本低。产品应用领域包括离子电池负极、超级电容器、太阳能光热水蒸发等。
技术介绍
碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质，并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。介孔碳是一类新型的非硅基介孔材料，2nm<孔径<50nm,具有巨大的比表面积和孔体积，非常有望在催化剂载体、储氢材料、电极材料等方面得到重要应用，因此受到人们的高度重视。与纯介孔硅材料相比，介孔碳材料表现出特殊的性质，有高的比表面积，高孔隙率；孔径尺寸在一定范围内可调；介孔形状多样，孔壁组成、结构和性质可调；通过优化合成条件可以得到高热稳定性和水热稳定性；合成简单、易操作、无生理毒性。它的诱人之处还在于其在燃料电池，分子筛，吸附，催化反应，电化学等领域的潜在应用价值。近年来，介孔材料科学已经成为国际上跨化学、物理、材料、生物等学科交叉的热点研究领域之一，更成为材料科学发展的一个重要里程碑。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化的方式形成的单层原子蜂窝状的二维纳米材料，具有优异的物理和化学性能。它是在2004年被发现，最初是通过用胶带剥离高质量石墨法得到单层石墨烯。由于石墨烯具有大的比表面积2630m2/g，室温下高的电子迁移率15,000m2/V/s。石墨烯的制备方法主要分为两类：湿化学法和气相反应法。化学气相沉积法制备石墨烯产率低且反应条件苛刻，需要高温真空环境。而湿化学法中的Hummer’s法，即将石墨粉进行氧化剥离，然后对单原子层的氧化石墨烯进行还原，具有易于工业化制备之优势。但是制备步骤繁琐，且需要大量的化学试剂，并无成本优势。目前市场上的氧化石墨烯价格约为550元/克，昂贵价格是通往工业化应用的主要障碍。
技术实现思路
本技术专利技术首次将镁粉(Mg)和二硫化碳(CS2)蒸汽在低压高温条件下反应，最终制备了硫掺杂的三维结构介孔类石墨烯碳纳米材料。本技术突出的优势是能够大产量生产，而且初步测试发现该碳材料产品在太阳能海水淡化、锂离子电池负极等应用方面皆表现出优异性能。本专利技术所用的化学原料廉价且常见，制备工艺可进一步升级以满足规模化生产需求。本技术专利技术采用镁粉与氯化钠粉混合，在真空管式炉中与氩气带入的二硫化碳蒸汽反应，生成硫化镁和碳，2Mg+CS2→2MgS+C。氯化钠的作用是为了使镁粉反应彻底，提高碳纳米材料的产量。混合物反应前后的图片如图1所示。混合物经过水洗和酸洗步骤，提纯得到疏松的碳纳米材料，电子显微镜图片如图2所示。二硫化碳在常温常压下是易挥发的液体。我们用氩气鼓泡法将二硫化碳蒸汽带入真空管式炉中。在550-650℃温度范围内发生镁热还原反应。制备过程具体包括以下步骤：(1)将镁粉与NaCl粉按照1：4的质量比混合，装填于陶瓷舟中，放入单温区的管式炉中间。将管式炉用机械泵抽气，然后通入氩气。(2)盛有液态二硫化碳的容器置于水浴锅中，保温35℃。用氩气鼓泡二硫化碳，将反应气体带入炉中，同时升温至600℃,保持90分钟。反应过程中抽气泵抽气，维持炉中气压约1/50标准大气压。(3)反应结束后，将黑色产物充分溶解于去离子水中，两次抽滤去除杂质离子。滤膜上的黑色碳产物再次分散于水中，加入盐酸充分反应，然后抽滤，再分散到去离子水中。反复清洗后将分散于水中的碳材料冷冻干燥。本专利技术采用镁热还原二硫化碳法制备介孔碳纳米材料，此技术方案主要优点在于：(1)高温固-气反应法，不会引入任何含氧基团，还能实现碳纳米材料的硫掺杂。(2)产量高，易于扩大化生产。用小型真空炉，单次反应可得到克级别的功能碳材料。若改进炉膛尺寸，设计多层堆叠的填料所用的陶瓷舟以便在增加粉体重量的同时还能保持与气体的充分接触，则可进一步提高单次实验的产量。(3)反应时间短。(4)易于提纯，副产物氯化镁可用酸去除。(5)操作简单，可控性强。附图说明附图1(a)生产碳纳米材料的装置示意图；(b)碳纳米材料的照片。附图2产品照片。(a)反应前，刚玉舟中装载的镁粉与氯化钠的混合物。(b)反应后，混合物的照片。附图3样品的扫描电子显微镜分析图。具体实施方式以下结合实例对本专利技术做进一步阐述，但本专利技术并不局限于具体实施例。1)称取8克镁粉和42克NaCl粉，在塑料试管中用振荡器混合，然后倒入两个大尺寸的刚玉舟中。2)将装有反应物的两个陶瓷舟放入炉管中，用机械真空泵抽气，然后灌入氩气，反复两次以除尽氧气。3)在液态二硫化碳容器中通入氩气，以200mL/min的流速，将液体鼓泡，Ar与CS2的混合气通入管式炉中。同时将炉子以15℃速率升温至600℃,保温90分钟。反应过程中管式炉用真空泵抽气。4)反应后，炉子自然降温到室温后，取出陶瓷舟，浸没于水溶液中以溶解氯化钠。5)将溶液用0.2μm微孔的水性滤膜抽滤。收集的黑色物再超声分散到去离子水中，然后加入过量盐酸。充分反应后再将黑色溶液抽滤，将滤膜上的黑色物分散到去离子水中。再次抽滤，然后将产物的分散到少量去离子水中，冷冻干燥，得到黑色蓬松碳纳米材料。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制备硫掺杂类石墨烯介孔碳纳米材料的方法，其特征在于反应设备的设计和制

【技术特征摘要】
1.一种制备硫掺杂类石墨烯介孔碳纳米材料的方法，其特征在于反应设备的设计和制备方法与步骤。1)原材料是镁粉和液态二硫化碳，反应方程式2Mg+CS2→2MgS2+C。我们用氩气鼓泡二硫化碳液体，通入真空炉中进行中高温反应。2)为了使镁粉能够反应彻底，将镁粉和氯化钠粉按照一定的质量比均匀混合。3)550-650℃范围皆可发生镁与二硫化碳的还原反应。4)反应得到的产物浸没入稀盐酸的水溶液中，去除硫化物和残留的少量镁颗粒。5)将含有碳纳米材料的水溶液抽滤，分散于去离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘金章，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11