[发明专利]一种二维超薄碳纳米片及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维超薄碳纳米片及其制备方法和应用，其厚度在4‑29nm之间，平均厚度约12nm，具有丰富微、介孔结构，比表面积为494‑640m²g^‑1。具体是以一种廉价易得的强吸水性高分子聚合物材料聚丙烯酸钠作为碳前驱体，利用水为调节剂，结合冷冻干燥技术，通过控制水的用量，实现无模板法制备一种超薄碳纳米片。其工艺简单易操作、可控性高、原料廉价易得、绿色环保。所制备的超薄碳纳米片作为超级电容器电极材料或可负载硫应用于锂硫电池正极，利用超薄、多孔结构以及碳骨架中丰富的氧原子等特点，加速电解液离子扩散、增强对多硫离子束缚，提升电容器和锂硫电池性能。

技术领域

本发明属于纳米材料和电化学储能领域，特别涉及一种二维超薄碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术

随着便携式电子产品，车辆电气化和网格规模固定存储对能量存储需求的不断增加，高能量和功率密度的电化学存储设备得到了迅速发展。因此，迫切需要寻找合适的电极材料来制备高性能的电化学储能器件，如超级电容器和锂硫电池。碳基化合物具有成本低、易获得、无毒、环境友好、稳定性好等优良特性，近年来受到广泛关注。开发了硬碳、软碳、多孔碳、改性石墨等多种碳材料，在超级电容器和锂硫电池中表现出良好的应用前景。设计具有稳定纳米结构和分级孔隙度的特殊形貌是提高碳基材料电化学性能的有效方法。

碳纳米片作为一种类石墨烯结构的新型二维碳纳米材料，由于其具有较高的比表面积，减少了传质距离，提高电极整体的导电性。而且超薄纳米片缩短了电子传递距离，有利于电解液的渗透等优势，可作为理想的锂硫电池和超级电容器的电极材料。

目前，碳纳米片通常采用模板法制备，而且一般需要多种模板的协同作用下合成。如Qiu等人(Adv.Funct.Mater.1/2016)用明胶作为碳、氮前驱体，硼酸作为硼源和二维模板制备碳纳米片应用于超级电容器。

另外，中国专利申请公开号CN106025239A公开了一种二维氮掺杂分级孔碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：将含氮的有机金属骨架在气体氛围下于碳化温度910～2000℃进行碳化，降温，得到二维氮掺杂分级孔碳纳米片；其中，含氮的金属有机骨架中的金属离子为锌离子，虽然该种方法无需模板即可制得二维多孔氮掺杂碳纳米片。然而此合成方法经历碳化和活化两步过程，工艺复杂，前驱体来源不易得。

中国专利申请公开号CN110577207A公开了一种氮磷共掺杂的碳纳米片，该方法采用对苯二胺、对苯二甲醛以及DOPO为原料，采用有机试剂对环境存在污染，不利于大规模生产。

综上，由于现有技术存在的不足，如何实现简便有效地制备超薄碳纳米片仍具有非常重要的意义。

发明内容

为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的第一个目的是提供一种二维超薄碳纳米片的制备方法，该制备方法无需模板，且原料廉价易得，厚度可调的优点，能够实现超薄碳纳米片的制备。

本发明的第二个目的是提供一种二维超薄碳纳米片材料在锂硫电池正极和超级电容器电极的应用。

为实现本发明的第一个目的，其技术方案是将聚丙烯酸钠和水混合进行剧烈搅拌，得到果冻状的前驱体，然后通过冷冻干燥方式将所述前驱体中的溶剂去除，再在惰性气体氛围下高温退火处理；然后用盐酸水溶液对退火产物进行洗涤去除钠化合物，抽滤，烘干，得到二维碳纳米片。

进一步设置是聚丙烯酸钠与水量的比值为1:50-1:250。

进一步设置是退火处理中，退火温度为700℃～1000℃，升温速率1～5℃min^-1，保温1～3h。

进一步设置是在冷冻干燥的放置时间为36-45h。