[发明专利]一种单层碳纳米网材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种单层碳纳米网材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：步骤一：生物质原材料预处理；步骤二：水热合成生物质前驱体；步骤三：分段法煅烧合成碳纳米网。本发明结构稳定性更强，具有更好的力学性能以及导电能力，是真正意义上的具有“渔网”特点的纳米级碳网，而非基于活化剂刻蚀造孔、去模板造孔、碳纤维物理搭建等方法制备的碳导电框架材料；本发明制备流程简单高效，使用农林废弃物为原料，成本低廉，环境友好，解决了目前制备碳导电网材料的低成本、与高电化学性能无法兼具等的问题；此外，本发明的制备方法能产生高附加值产品金属Sn；本发明制备的碳纳米网因其具有一体成型的单层纳米结构的特点，具有多功能用途。

技术领域

本发明属于电池负极材料及电催化材料制备领域，尤其涉及一种单层碳纳米网材料的制备方法及其应用。

背景技术

碳导电网材料具有比表面积大、孔隙率高、成本低、物理化学稳定性高等特点，在电容器、电催化、电极导电剂以及电池负极材料等领域都有实际的应用价值。碳导电网材料的制备方法多种多样，主要为模板法、活化法、碳纤维搭接法等。

模板法制备碳导电网材料的合成思路，如Wang等人以柠檬酸为碳源、以NaCl和HBO3为模板，通过冷冻干燥、高温碳化及去除模板步骤合成了制备了硼掺杂三维多孔碳网材料。以及石墨烯泡沫一类的碳导电网材料也主要以模板法构筑，如Yavair等人以泡沫镍为模板，通过化学气相沉积法在泡沫镍表面沉积碳和一层聚甲基丙烯酸甲酯（防止碳结构坍塌），然后用热盐酸去除镍支架，再用热丙酮溶解聚甲基丙烯酸甲酯，最后获得三维石墨烯泡沫网。显然，模板法制备的碳导电网的孔隙高度依赖模板的尺寸，且模板材料耗损大，需进一步溶液法蚀刻才能造孔。此外碳源如石墨烯的成本较高，总的制备方法复杂、合成成本较高，产品的力学性能也较差。

活化法常通过利用化学试剂在热解过程中与碳源进行反应，进而在碳基体内大量刻蚀造孔而获得碳导电网结构，常见化学试剂有KOH、NaOH、ZnCl2、H3PO4等。以生物质为碳源，制备多孔碳导电网材料，也较为常见，如Naresh等人通过将余甘子叶晒干研磨成粉预碳化，再加入KOH溶液研磨后高温煅烧，降温后使用盐酸洗涤去杂质，干燥后获得三维碳导电网。以上方案均通过化学试剂（如KOH、NaOH）在高温下氧化刻蚀碳基体造孔，碳基体上形成大小不一的孔隙，因此获得的碳结构特点一般都为内部有大量孔隙的多孔碳结构，结构特点单一。

碳纤维搭接法，如采用静电纺丝技术结合高温碳化法制备碳纤维，碳纤维在物理上的堆叠，进而形成三维碳导电网。例如：Qu等人利用聚丙烯腈和二甲基甲酰胺，采用静电纺丝和热处理制备了三维碳纳米纤维网络。静电纺丝技术纺丝效率低，常在强腐蚀性毒性溶剂中进行，成本高不易回收，易造成环境污染，并且静电纺丝技术制备出的碳网通过碳纤维堆积获得，可设计性差，孔径小大不均匀。Lai等人以细菌纤维素纳米纤维为原料，与CNT混合后超声分散，再通过真空过滤制备出CNF/CNT碳导电网络。以上方法，均是通过碳纤维或碳纳米管的堆积搭建成的碳导电网，显然基于物理堆叠而形成的碳网的结构稳定性较差；并且碳纳米管、碳纤维制备成本高、不环保，且通常碳纤维直径较大，为微纳米级别。

目前碳导电网材料仍然面临结构单一、力学性能不佳、制备成本高、路线复杂等突出缺点，碳纳米网材料无论从前驱体的选择、结构设计或者制备方法的创新来说，均有较大的发展空间。因此，通过绿色、低成本的合成方法，获得具有多孔道、大比表面积、高孔隙率、高结构稳定性的一体成型的碳纳米网材料，对电催化、导电剂和电池负极材料等方面的实际应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种单层碳纳米网材料的制备方法及其应用，无需刻蚀碳造孔，也不依赖模板法复制网孔结构，而是通过分段加热法实现生物质基体“自分裂”碳化形成碳纳米网，所制备的一体成型的单层碳纳米网，具有高离子和电子电导率以及强结构稳定性。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种单层碳纳米网材料的制备方法，制备方法包括以下步骤：