[发明专利]一种碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶的方法

说明书

一种碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶的方法，它属于纳米材料合成技术领域。本发明要解决现有铝纳米结构材料合成方法存在需要复杂的多步反应、高温加热以及十分危险的铝前驱体和苛刻的反应条件。方法：一、将无水氯化铝、羟基化碳纤维、四氢呋喃和锂金属材料混合反应；二、将反应产物洗涤干燥。本发明用于碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶。

技术领域

本发明属于纳米材料合成技术领域。

背景技术

作为地壳中含量最丰富的金属元素，铝在传统的工业制造领域应用十分广泛，在合金制造、工业线缆合金属燃料等领域有重要的应用价值。但传统的铝金属很难在具有更高附加值的领域应用。与之不同的是，纳米结构的铝展现出多种不同的新奇性能，因此近年来被应用于发光、紫外光电设备、光催化以及锂离子电池等高新技术领域。尤其在锂离子电池领域中，纳米铝具有超高的理论比容量约(2234mAh/g)和十分恰当的工作电势(～0.5Vvs.Li/Li⁺)。但是由于铝的高化学活性导致纳米结构铝的制备十分困难，严重影响了铝的实际应用。

由于纳米结构铝具有很高的反应活性而且本身制备较为复杂，因此对纳米结构铝的研究十分有限。少数报道纳米结构铝的合成需要在高温和高压的严苛环境中，并同时伴随着较高的能耗。例如，在多种有机体系中，通过对三异丁基铝进行多步反应实现热分解合成铝纳米棒，但是三异丁基铝的分解温度需要250℃以上的高温，而且三异丁基铝前驱体本身具有强烈的腐蚀性和极高的化学反应活性(遇空气自燃，遇水、酸、醇、氨则强烈反应并发生爆炸)，具有极高的操作危险性。另一种是利用氢气的还原性，在230℃高温以及极高的氢压(50atm)下将三乙基铝还原在石墨烯纳米片上制备石墨烯复合铝纳米晶材料，该方法同样面临极高的危险(三乙基铝前驱体本身为剧毒品，而且遇微量氧气和水易引起燃烧爆炸)，极大地限制了它们的实际应用。因此，目前多种合成纳米结构铝的方法具有如下缺点：制备方法十分复杂，需要分开多步反应并且需要很高的反应温度，导致反应的能耗大，而且合成所需的环境条件十分危险和苛刻；合成铝纳米结构的原始材料是铝的有机体，不仅价格十分昂贵，而且具有高度危险性。

发明内容

本发明要解决现有铝纳米结构材料合成方法存在需要复杂的多步反应、高温加热以及十分危险的铝前驱体和苛刻的反应条件，进而提供一种碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶的方法。

一种碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶的方法，它是按以下步骤进行的：

一、将无水氯化铝、羟基化碳纤维、四氢呋喃和锂金属材料依次加入到反应釜中，在氩气气氛及温度为30℃～180℃的条件下，反应2h～50h，得到反应产物；

所述的羟基化碳纤维与无水氯化铝与质量比为1:(10～100)；所述的无水氯化铝与锂金属材料的摩尔比为1:(1～5)；

二、室温下，将反应产物洗涤干燥，得到碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶材料粉体。

本发明的有益效果是：

不同于其他高温高危的纳米结构铝制备技术，本发明提供一种表面基团导向的碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶的合成方法。该新型合成方法是一种在低温条件下，通过“表面基团导向的自组装策略”实现金属铝在纳米尺度上均匀自组装至碳纤维表面形成碳纤维表面均匀生长超细铝纳米晶。“表面基团导向的自组装策略”具体为利用材料表面特定的官能团实现无固定尺寸的原子或分子在特定官能团的导向下通过化学反应自组装到目标材料表面形成纳米产物。在含锂金属的有机溶剂中，该方法利用羟基化碳纤维表面丰富的羟基转化为-OLi基团(H被Li取代)，-OLi基团会与溶液中游离的AlCl₃分子形成紧密连接，使得AlCl₃分子在-OLi基团的导向下，在较低温度下与Li金属反应后所生成的金属Al能够原位自组装在碳纤维表面，形成均匀超细Al纳米晶(约10nm)。“表面-OLi基团导向”是低温构建超细铝纳米晶与碳纤维均匀自组装复合材料的关键。