[发明专利]一种生物质制备含有多级结构碳纳米片的方法

说明书

本发明提供了一种生物质制备含有多级结构碳纳米片的方法，即一种制备大尺寸、富含氧官能团的具有多级结构的碳纳米片的制备方法。本发明方法以生物质为原料，通过在空气中快速升温碳化的过程制备碳纳米片，具体步骤为：将生物质在水中充分浸泡后冻干，保持生物质中原有的多级结构；将冻干后的样品在空气中煅烧，得到高导电性三维结构碳材料。该制备方法简单高效、可控性强，并且成本低廉，不会对环境造成污染。本发明所制备的碳纳米片可应用于光催化、电催化以及储能等领域，并且，可利用该生物质模板合成金属以及金属氧化物二维纳米材料。

技术领域

本发明属于材料技术领域，涉及一种生物质制备含有多级结构碳纳米片的方法，具体为将冻干后的生物质在管式炉中高温煅烧后得到保持有多级结构的碳纳米片。将所得的碳纳米片进一步高温处理后，得到高导电性多级结构。

背景技术

碳材料具有良好的导电性，可作为各类光催化、电催化材料的载体，还可实现对催化剂材料的碳掺杂。碳纳米片的制备主要是通过对含碳材料的剥离以及以含碳小分子排列生长形成，通常需要苛刻的反应条件并且会对环境造成污染。因此，亟待一种简单可控且环境友好的制备纳米片层或具有多级结构碳材料的方法。

生物质模板法具有方法简便、环境友好、成本低廉且原材料易得的优势，已被广泛应用于储能、催化、生物医学等领域。以生物质为模板，利用天然有机结构框架，在形成多级结构模板的同时保证其上含氧基团的含量，并可利用该含氧基团通过耦合作用实现金属离子锚固并模板化生长。同时，碳材料不仅可作为模板生长各种多级结构材料，还可在脱除模板过程中实现金属及其氧化物的碳掺杂。

发明内容

本发明的目的在于克服碳纳米片材料制备的难点并实现碳材料的多级化，提供一种结构多样化、简单可控、成本低廉、环境友好的生物质制备含有多级结构碳纳米片的方法。本发明制备的碳材料片尺寸超过5μm，且厚度在纳米级别。此外，生物质所制备的碳材料含有丰富的含氧基团，是作为载体和模板剂的有利条件。相比于传统制备方法，本方法有效利用生物质的多级结构，简单、高效、可控制备三维碳材料。

本发明制备的多级结构碳材料可用于制备金属以及金属氧化物二维片层的合成，并应用于光催化、电催化、储能以及光电材料等领域。本发明方法具有成本低廉、环境友好、可控性强等优势。

本发明提出一种生物质制备含有多级结构碳纳米片的方法，具体步骤如下：

（１）将生物质在水中浸泡7-12h，保证水分充分浸润生物质的内部结构；

（２）将步骤（1）得到的浸润后的生物质冻干，以保持内部的多级结构；

（３）将步骤（2）中得到的冻干生物质在空气气氛下260-330℃煅烧处理，得到具有多级结构的碳纳米片。

本发明中，步骤（1）所述的生物质为萝卜、香蕉皮、橘子皮、红枣、苹果或芭蕉叶中的任一种。

本发明中，步骤（2）所述的冻干条件为液氮快速冻干，采用冰晶生长的方式保持生物质中的微观结构。

本发明的有益效果在于：针对纳米碳材料现有的不足，本发明人经过长期的实践与研究，提出了本发明的技术方案，该方案可实现多级结构碳材料的批量、无污染、低成本可控制备。在本发明的技术路线中，无需溶剂添加，且反应过程简便可控，解决了多级结构碳纳米片的成本以及规模制备等问题，为其在催化、储能以及光电材料领域的应用提供了一种有效途径。

附图说明

图1 为萝卜碳化后所得多级结构碳层纳米结构的扫描电镜图。

图2 为萝卜碳化后所得多级结构碳层纳米结构的元素分布图：（a）为扫描电镜图，（b）为总图，（c）为碳的元素分布图，（d）为氧的元素分布图。

图3 为萝卜碳化后所得多级结构碳层纳米结构的透射电镜图。

具体实施方式