專利名稱：一種二維納米碳片的制備方法
技術領域：
本發明屬于納米材料制備技術領域，尤其涉及一種二維的納米碳片的制備方法。
背景技術：
在新材料的研發過程中，維度已成為調制物質結構和特性的一個重要參數。當材料由三維結構變到二維、一維和零維時，其幾何結構和物理化學特性將發生顯著的變化。二維納米材料因具有各向異性和獨特的光電性能而被廣泛地應用在固態納米器件、傳感及功能薄膜等眾多領域。作為二維材料，一般厚度方向為單原子層或雙原子層碳原子。石墨烯的發現打破了二維單層原子晶體不可能存在的理論推斷，引發了目前人們對二維單原子層材料的研究熱潮。這不僅成為納米科學領域中產生新知識的重要源頭之一，而且為研制高性能功能納米材料和器件提供了契機。目前該領域的研究熱點之一是對單原子層材料進行功能化修 飾。隨著研究的深入，對二維納米材料的需求量也逐步增加，急需簡單易行的合成方法。但是由于二維納米材料表面自由能較高，在制備過程中往往采用非常規的方法，比如用CVD法可以制備出高質量大面積的石墨烯二維納米材料，但是理想的基片材料單晶鎳的價格太昂貴，這是影響石墨烯工業化生產的重要因素，另外還有成本較高，工藝復雜。另外還有氧化-還原法，其缺點是宏量制備容易帶來廢液污染和制備的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元環、七元環等拓撲缺陷或存在-OH基團的結構缺陷，這些將導致石墨烯部分電學性能的損失，使石墨烯的應用受到限制。層狀雙輕基復合金屬氧化物(Layered Double Hydroxides,簡稱LDH),又稱水滑石，是一類重要的無機功能材料。其獨特的層狀結構及層板元素和層間陰離子的可調變性受到人們的廣泛關注，經離子交換向層間引入新的客體陰離子可使層狀結構和組成產生相應的變化，因而可以制備一大類具有特殊性質的功能材料。水滑石材料屬于陰離子型層狀化合物。層狀化合物是指具有層狀結構、層間離子具有可交換性的一類化合物，利用層狀化合物主體在強極性分子作用下所具有的可插層性和層間離子的可交換性，將一些功能性客體物質引入層間空隙并將層板距離撐開從而形成層柱化合物。水滑石化學結構通式為[M2YxM3+X(OH)2]χ+ [(Αη_ )χ/η·πιΗ20]，其中M2+為Mg2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Ca2+，Fe2+，Cu2+ 等二價金屬陽離子；M3+ 為 Al3+，Cr3+，Fe3+，Co3+ 等三價金屬陽離子；A11—為陰離子，如⑶廣，NO3' CF, OH—，S042—，PO,，C6H4 (COO) 22-等無機和有機離子以及絡合離子，當層間無機陰離子不同，水滑石的層間距不同。
發明內容
本發明的目的是為克服現有技術中制備工藝復雜、價格昂貴等的不足，提供一種二維納米碳片的制備方法。本發明采用的技術方案是依次包括如下步驟
I)將丙烯酸和水按體積比為I I 2的比例混合，按照每克水滑石對應3 5mmol丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T70°C恒溫攪拌5飛h，老化12 24 h得到顆粒物，再將該顆粒物分離，去離子水洗2 3遍，加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，每克水滑石對應異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為5 15 mmol，加熱到6(T90°C，反應8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過20 40目篩得到粉末；
2)將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T700°C，真空煅燒2 4h，冷卻至室溫；
3)將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對應5 10毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌3 4 h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片。本發明的優點是 I.制備該納米材料來源簡單，從丙烯酸等簡單有機物開始，經過聚合、碳化、剝離可以制得具有納米尺度的片層碳材料。2.利用水滑石的特殊結構，通過陰離子交換作用在其層間插入聚合單體，并在層間有限的空間內聚合，確保聚合物在是以一層或二層的單分子分散，在60(T70(TC當碳化后形成二維聚合芳香分子。3.碳化后的材料在經過酸洗之后，水滑石本身的結構被破壞，鎂鋁氧化物被酸溶解，層間的炭質材料自然剝離，過程簡單、溫和。
具體實施例方式將丙烯酸和水按體積比是I I 2的比例混合，按照每克水滑石對應3 5mmol丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T70°C恒溫攪拌5飛h，老化12 24 h得到顆粒物，再將顆粒物分離，去離子水洗2 3遍，將顆粒物加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，用于調節水滑石層間的有機物含量，每克水滑石對應異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨引發丙烯酸聚合，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為5 15 mmol，加熱到6(T90°C，反應8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過2(Γ40目篩得到粉末，在該過程中，將丙烯酸先通過陰離子交換，引入水滑石層間，再通過引發劑引發聚會，得到聚丙烯酸。將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T700°C，真空煅燒2 4h，冷卻至室溫，該過程中水滑石層間的聚丙烯酸碳化。將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對應5 10毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌3 4 h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片，該過程中水滑石層間的聚丙纟布Ife碳化。本發明所采用的水滑石可以是市售的商品，也可以根據現有技術制備，其制備技術是眾所周知的。水滑石化學結構通式為[M2YxM3+X (OH)2]x+ [(An- )χ/η·πιΗ20]，其中M2+為Mg2+，Ni2+，Mn2+，Zn2+，Ca2+，Fe2+，Cu2+ 等二價金屬陽離子中的任一種；Μ3+ 為 Al3+，Cr3+，Fe3+，Co3+等三價金屬陽離子中的任一種；Αη_為陰離子，如⑶廣，νο3-，CF, OF, S042—，PO/—等無機離子中的任一種；x=0. 5 O. 15 ;M2+/M3+=1 5。以下進一步提供本發明的3個實施例
實施例I將丙烯酸和水按體積比I :2的比例混合，按照每克市售鎂鋁水滑石對應5mmol丙烯酸的量，將過20目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在70°C恒溫攪拌6 h，老化24 h，再將顆粒物分離，去離子水洗3遍，將顆粒物加入到濃度為10%的異丙醇溶液中，用于調節水滑石層間的有機物含量，每克水滑石對應異丙醇溶液為10毫升，攪拌3 h，再加入過硫酸銨引發丙烯酸聚合，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為15 mmol，加熱到90°C，反應10 h，用去離子水洗3遍，90°C烘干，研磨，過40目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到700°C，真空煅燒4 h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為40%的鹽酸溶液中，每克粉末對應10毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌4 h，沉淀分離，可得到二維納米碳片。實施例2
將丙烯酸和水按體積比I :1的比例混合，按照每克市售鋅鋁水滑石對應3mmol丙烯酸的量，將過50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在60°C恒溫攪拌5 h，老化12 h，再將顆粒物分離，去離子水洗2遍，將顆粒物加入到濃度為5%的異丙醇溶液中，用于調節水 滑石層間的有機物含量，每克水滑石對應異丙醇溶液為5毫升，攪拌2h，再加入過硫酸銨引發丙烯酸聚合，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為5 mmol，加熱到60°C，反應8 h，用去離子水洗2遍，70°C烘干，研磨，過20目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到600°C，真空煅燒2 h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為20%的鹽酸溶液中，每克粉末對應5毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌3 h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片。實施例3
首先按照文獻(鎂鋁型水滑石水熱合成，應用化學，2001，18，70-72)合成制得鎂鋁型水滑石；將水滑石過40目篩，備用。將丙烯酸和水按體積比I :2的比例混合，按照每克水滑石對應4mmol丙烯酸的量，將制備得到的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在65°C恒溫攪拌6 h，老化16 h，再將顆粒物分離，去離子水洗2 3遍，將顆粒物加入到濃度為8%的異丙醇溶液中，用于調節水滑石層間的有機物含量，每克水滑石對應異丙醇溶液為8毫升，攪拌3 h，再加入過硫酸銨引發丙烯酸聚合，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為10 mmol，加熱到80°C，反應9 h，用去離子水洗3遍，80°C烘干，研磨，過30目篩得到粉末；將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到650°C，真空煅燒3 h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為30%的鹽酸溶液中，每克粉末對應8毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌4 h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片。
權利要求
1. 一種二維納米碳片的制備方法，其是依次包括如下步驟 1)將丙烯酸和水按體積比為II 2的比例混合，按照每克水滑石對應3 5mmol丙烯酸的量，將過20-50目篩的水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，在6(T70°C恒溫攪拌5飛h，老化12 24 h得到顆粒物，再將該顆粒物分離，去離子水洗2 3遍，加入到濃度為59TlO%的異丙醇溶液中，每克水滑石對應異丙醇溶液為5 10毫升，攪拌2 3 h，再加入過硫酸銨，每克水滑石對應的過硫酸銨的量為5 15 mmol，加熱到6(T90°C，反應8 10 h，用去離子水洗2 3遍，7(T90°C烘干，研磨，過20 40目篩得到粉末； 2)將得到的粉末放入真空管式爐中，在真空條件下加熱到60(T700°C，真空煅燒2 4h，冷卻至室溫； 3)將煅燒后的粉末加入到濃度為20°/Γ40%的鹽酸溶液中，每克粉末對應5 10毫升酸溶·液，在氮氣保護下攪拌3 4 h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片。
全文摘要
本發明公開一種納米材料制備領域中的二維納米碳片的制備方法，將丙烯酸和水按體積比為11~12混合，將水滑石顆粒加入到該丙烯酸溶液中，60~70℃攪拌5~6h，老化12~24h得到顆粒物，再將該顆粒物分離，去離子水洗2~3遍，加入到異丙醇溶液中，攪拌，加入過硫酸銨，加熱，用去離子水洗，烘干，研磨，過20~40目篩得到粉末；將得到的粉末加熱到600~700℃，真空煅燒2~4h，冷卻至室溫；將煅燒后的粉末加入到濃度為20%~40%的鹽酸溶液中，每克粉末對應5~10毫升酸溶液，在氮氣保護下攪拌3~4h，沉淀分離，即可得到二維納米碳片，過程簡單。
文檔編號C01B31/02GK102942171SQ20121041064
公開日2013年2月27日 申請日期2012年10月25日 優先權日2012年10月25日
發明者馬建鋒, 鄒靜, 李定龍, 楊彥 申請人:常州大學