[发明专利]一种前驱体及制备碳纳米材料的方法和用途

说明书

一种前驱体，包括如下重量份组分：柠檬酸乙二醇酯5份；水溶性纤维素1～2份；金属硝酸盐1～10份。用于制备碳纳米材料的方法为，1)按比例取料，溶于水中混匀，浓缩得到混合液；2)将步骤1)得到的混合液装入反应容器内，于250‑400℃条件下反应1‑10min，得到碳纳米材料。得到的碳纳米材料作为电极片的储能活性材料，可用于制备高性能电容器或锂离子电池。

技术领域

本发明涉及纳米材料领域，特别涉及一种前驱体及制备碳纳米材料的方法和用途。

背景技术

碳纳米材料具有优异的化学稳定性、显著的导电性和独特的微/纳米结构，被认为是聚合物工业、环境处理、多相催化和先进电子器件等领域的潜在替代材料。当纳米碳材料具有多孔结构、高比表面积、杂化结构和适当的杂原子掺杂时，其储能性能变得尤为突出和具有竞争力。

目前，已经开发出不同的方法，如水热碳化(HTC)、模板辅助碳化、电化学沉积和粉末碳化等工艺，并可从各种有机前体合成不同类型的纳米碳材料。然而，这些工艺热分解过程需要去除模板、多步热分解和完全惰性的氛围，反应条件苛刻，导致生产难度较高。

在这方面，有专家报道以柠檬酸和NH₄Cl为前驱体，在1000℃下，采用自发气体发泡法可以合成了掺杂碳纳米片。也有学者开发了一种“凝胶发泡”方法，在600℃下热膨胀粘性凝胶前驱体，制备了非层状纳米片。更有趣的是，古代化学“法老蛇”也被用来制备铁/氮掺杂碳(铁/氮-碳)纳米片/纳米管电催化剂，其中糖、苏打、三聚氰胺和硝酸铁作为前驱体，得到的铁/氮碳催化剂具有多孔结构、大的表面积和均匀分布的活性中心。

然而，这些工艺具有高温(超过500℃)、高速和高得率的特点，同样不利于制备高性能纳米碳材料。此外，大多数碳前驱体在热处理后表现出不同程度的收缩，还不利于结构优化和性能改善。

中国专利CN201710577859.2公开了一种生物质碳/二硫化钼纳米复合材料及其制备方法。通过水热法和煅烧制备生物质碳，然后通过一步水热法在多孔生物质碳上生长花瓣状二硫化钼纳米材料。这一方法中用到了水热反应釜，且反应时间较长。

中国专利CN201610260212.2报道了一种水绵基生物质碳材料/纳米硫复合材料的制备方法。将水绵清洗、干燥后经真空管式炉加热500-900℃下保温碳化，再与纳米硫超声混合、球磨，经鼓风干燥箱烘干，再通过真空管式炉加热100℃-200℃保温3-6小时，之后随炉冷却至室温，得到目标产物水绵基生物质碳/纳米硫复合材料。制备方法相对复杂，且反应温度较高。

中国专利CN201810995604.2公开了一种锂电池负极用生物质碳/氧化铁复合材料及其制备方法，解决了锂电池负极材料氧化铁体积膨胀率大，循环性能差的问题。将树叶、树皮、碎木片和/或动物毛发等碳化制得生物质碳，再采用强迫水热法将生物质碳与氧化铁复合，得到多孔生物质碳包覆的氧化铁前驱体，然后将前驱体经过微波处理改变氧化铁结晶性，得到的生物质碳/氧化铁复合材料。此方法也用到了水热、微波等复杂过程。

因此，寻找有利的前驱体和简便的碳纳米材料生产方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种前驱体，利用这种前驱体制备得到的碳纳米材料为多孔杂化材料，具有优越的电化学性能，有效满足制备高性能储能装置的需求。利用这种前驱体制备碳纳米材料的方法条件温和、安全性高，可有效降低碳纳米材料的生产成本，以实用、方便、较低处理费用的方式实现高性能储能材料的制备。

本发明的技术方案是：一种碳纳米材料前驱体，包括如下重量份组分：

柠檬酸乙二醇酯 5份；

水溶性纤维素 1～2份；

金属硝酸盐 1～10份。

进一步的，所述水溶性纤维素为羧甲基纤维素钠、羧甲基纤维素锂或羧甲基纤维素铵中的任一种或几种混合。