[发明专利]一种三维碳或三维碳/石墨烯泡沫及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种三维碳或三维碳/石墨烯泡沫及其制备方法和应用，本发明通过以金属泡沫作为三维碳或三维碳/石墨烯结构的牺牲载体和模板，通过火焰提供的高温环境(450℃以上)和酒精燃料的燃烧产物提供的碳源，在金属泡沫表面沉积碳层以及形成花状石墨烯结构，通过对金属泡沫基体的完全刻蚀，从而制得可由金属基体调控的三维多孔结构碳或三维多孔结构碳/石墨烯泡沫，本发明相较于传统化学气相沉积法而言具有更加简单的设备、更加简便的操作、开放的生产环境和较低的制备温度等特点，使其更容易实现规模化生产。

技术领域

本发明属于三维碳泡沫制备技术领域，特别涉及一种三维碳或三维碳/石墨烯泡沫及其制备方法和应用。

背景技术

碳材料泡沫作为一种具有网络结构的多孔轻质固体材料，常以沥青和高聚物作为前驱体进行制备。常见的制备方法有发泡法，模板法，直接碳化法和化学气相沉积法(CVD)等。发泡法制备通常是采用发泡剂在前驱体材料中进行发泡，但一般会导致所制备的碳泡沫节点和韧带产生裂纹，从而导致较差的孔结构。而模板法和直接碳化法均需合成或直接获取具有三维多孔结构的泡沫材料作为前驱体进行热处理，并利用特定的碳源，在热处理过程中不仅需要提供一定的无氧环境(惰性气体保护)，还常常需要进行高温碳化过程。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点与不足之处，本发明的首要目的在于提供一种三维碳或三维碳/石墨烯泡沫的制备方法，本发明通过以金属泡沫作为三维碳结构的牺牲载体和模板，通过火焰提供的高温环境(450℃以上)和酒精燃料的燃烧产物作为碳源，在金属泡沫表面沉积碳层以及形成特殊的花状石墨烯结构，通过对金属泡沫基体的完全刻蚀，从而制得三维碳或三维碳/石墨烯泡沫。

本发明另一目的在于提供上述三维碳或三维碳/石墨烯泡沫。

本发明再一目的在于提供上述三维碳或三维碳/石墨烯泡沫在传感器，能源和环境等领域的应用。

另外其所制得的三维碳或三维碳/石墨烯泡沫中间产物三维碳/金属泡沫或三维碳/石墨烯/金属泡沫在刻蚀前后均是良好的泡沫复合材料，包括可进一步制备合成三维碳/金属或三维碳/石墨烯/金属复合材料等，使得它们在多功能金属复合材料和电子材料领域有着极大的应用前景。

本发明的目的通过下述方案实现：

一种三维碳或三维碳/石墨烯泡沫的制备方法，其主要包括以下步骤：

(1)使用稀盐酸溶液对金属泡沫进行洗涤以除去表面的金属氧化物，再将除去氧化物的金属泡沫置于酒精中超声洗涤后干燥备用；

(2)将经过步骤(1)处理后的金属泡沫牺牲模板置于酒精火焰中燃烧沉积一定时间，得到三维碳/金属泡沫或三维碳/石墨烯/金属泡沫；

(3)使用刻蚀液对步骤(2)中的三维碳/金属泡沫或三维碳/石墨烯/金属泡沫进行刻蚀除去金属，经去离子水及酒精洗涤后干燥，即可得到三维碳或三维碳/石墨烯泡沫。

进一步地，所述步骤(1)中稀盐酸溶液的摩尔浓度为0.5-1.0mol/L。

进一步地，所述步骤(1)中稀盐酸溶液的摩尔浓度为1.0mol/L。

进一步地，所述步骤(1)中超声洗涤条件为在70-800W的功率下超声分散5-10min，真空干燥温度为40-100℃，干燥时长为0.2-6h。

进一步地，所述步骤(2)中的火焰温度为450-1000℃，燃烧时长为15s-20min。

进一步地，所述步骤(2)中的火焰温度为500℃，燃烧时长为15s。

进一步地，所述步骤(3)中完全刻蚀时间为1min-6h，干燥时长为2-9h。

进一步地，所述步骤(3)中完全刻蚀时间为10min，干燥时长为6h。