一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法与流程

本发明属于材料技术领域，涉及一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法。

背景技术：

随着科学技术的进步与工业时代的迅猛发展，环境污染问题变的日益严重。水是人类以及地球上各类动植物生存中不可或缺的，水体的健康对人类以及各类动植物的生存至关重要。因此，如何对水中的污染物进行合理且有效的处理一直以来都是非常紧迫而热门的课题。水中的污染物多种多样，但是对我们造成伤害最大的无疑是各类重金属离子，如cu²⁺、hg²⁺、cr²⁺等，这些污染物对于人类以及各种动植物的健康会产生致命的危害。

目前工业界中对于重金属离子的处理方法主要分为电化学还原法与物理吸附法。电化学还原法能够回收大多数的重金属离子，但是对于金属离子的浓度有一定的要求，当重金属离子的浓度较低时电化学还原法无法发挥作用。此外，电化学还原过程伴随着大量的能源消耗与副反应，对于企业而言面临着巨大的压力。由于高比表面积与发达的孔分布，纳米碳材料是一种优良的物理吸附剂。受到科学家们的广泛研究，并被实际应用于气体与水体净化。

碳材料一直处于迅猛发展的态势，尤其对零维、一维与二维碳材料的研究。上述低维碳材料在水体净化中面临着严峻的问题，如容易团聚、不易去除、吸附效率低等问题。因此制备比表面积高、吸附位点充分暴露的三维纳米碳材料具有重要的意义。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的主要目的在于提供一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法，该花瓣状三维纳米碳材料由超薄碳纳米片构成，并且纳米片之间互相分离，并具有比表面积高、活性位点充分暴露的特性。所述的一种花瓣状三维纳米碳材料的制备方法快速便捷、节能环保、具有工业化生产的潜力。

为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种花瓣状三维纳米碳材料，其特征在于：该花瓣状三维纳米碳材料由超薄碳纳米片构成，并且纳米片之间互相分离，并具有比表面积高、活性位点充分暴露的特性。

所述花瓣状三维纳米碳材料的比表面积高达540-900m²/g。

所述的一种花瓣状三维纳米碳材料的制备方法，其包括如下步骤：通过分子内环化反应诱导自组装得到花瓣状三维聚合物组装体粉末，以花瓣状三维聚合物组装体粉末作为前驱体，在惰性气氛中进行煅烧碳化，得到具有相似结构的花瓣状三维纳米碳材料。

其中，所述的花瓣状三维聚合物组装体粉末的制备方法包括如下步骤：将两亲性聚合物以25.0～100.0mg/ml的浓度溶于二甲基甲酰胺中，得到聚合物溶液，对该聚合物溶液进行热处理，形成花瓣状三维聚合物组装体，待溶液冷却后将花瓣状三维聚合物组装体进行离心，真空干燥，得到花瓣状三维聚合物组装体粉末。

在上述花瓣状三维聚合物组装体粉末的制备方法中，所述热处理的温度为160℃，热处理时间为25-80分钟。

在上述的花瓣状三维纳米碳材料的制备方法中，所述惰性气体为氩气、氢气和氨气中的一种或几种；煅烧碳化温度为600～1100℃；所述的花瓣状三维聚合物组装体由超薄聚合物纳米片构成。

上述的花瓣状三维纳米碳材料可作为吸附材料得以应用。

由于采用上述方案，本发明的有益效果是：

第一、本发明的花瓣状三维碳材料是通过花瓣状三维聚合物组装体直接碳化后得到，完整保留了花瓣状三维聚合物组装体的结构特征,故而得到的花瓣状三维碳材料由碳纳米片构成，具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点。使得该花瓣状三维碳材料具有优异的吸附性能，因此能够作为吸附材料使用，显著提高对于污水中重金属离子的吸附效果。

第二、本发明的花瓣状三维碳材料以花瓣状三维聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中一步碳化而得，制备步骤简便、节能环保。花瓣状三维聚合物组装体由两亲性聚合物原位自组装而成；无需透析等过程，具备规模化制备的条件。

第三、本发明的花瓣状三维碳材料制备步骤简便，一锅法制备，环境友好。两亲性聚合物由1,2,4,5-均苯四甲酸二酐和对苯二胺通过逐步聚合得到。聚合得到两亲性聚合物后，直接对聚合物溶液进行热处理即可诱导两亲性聚合物进行原位自组装，形成结构规整的花瓣状三维聚合物组装体，在惰性气体中碳化后得到花瓣状三维碳材料。由于两亲性聚合物中含有大量芳香环结构，因此得到的花瓣状三维碳材料具有较高的产率。

附图说明

图1为本发明实施例一中的花瓣状三维聚合物组装体的透射电子显微镜(tem)图。

图2为本发明实施例一中的花瓣状三维碳材料的透射电子显微镜(tem)图。

图3为本发明实施例一中的花瓣状三维碳材料的氮气吸脱附图。

图4为本发明实施例一中的花瓣状三维碳材料的吸附性能图。

具体实施方式

本发明提供了一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法。

<花瓣状三维纳米碳材料>

本发明提供的花瓣状三维纳米碳材料通过三维聚合物组装体碳化得到，继承了三维聚合物组装体的结构特征，由超薄碳纳米片构成，并且纳米片之间互相分离，并具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点，比表面积高达540-900m²/g。

<制备花瓣状三维碳材料的方法>

本发明的花瓣状三维碳材料的制备方法如下：以花瓣状三维聚合物组装体粉末作为前驱体，在惰性气氛中进行煅烧碳化，得到花瓣状三维碳材料。

其中，花瓣状三维聚合物组装体粉末由两亲性聚合物通过分子内环化反应诱导自组装得到；所述两亲性聚合物由1,2,4,5-均苯四甲酸二酐与对苯二胺通过逐步聚合得到。

花瓣状三维聚合物组装体粉末的制备方法为：将所述两亲性聚合物以25.0～100.0mg/ml的浓度溶于二甲基甲酰胺(dmf)中，在快速搅拌条件下对其进行热处理，待溶液冷却后将花瓣状三维聚合物组装体进行离心，真空干燥，得到花瓣状三维聚合物组装体粉末，该花瓣状三维聚合物组装体由聚合物纳米片组成。在该方法中，利用两亲性聚合物的分子内环化反应特性诱导其在原位进行自组装，无需对聚合反应后的两亲性聚合物进行提纯处理，具备工业化的条件。

在上述的花瓣状三维聚合物组装体粉末的制备方法中，所述热处理的温度为160℃，热处理时间为25-80分钟。

在上述的花瓣状三维碳材料的制备方法中，所述惰性气体可以为氩气、氢气和氨气中的一种或几种；煅烧碳化的温度为600～1100℃。

<花瓣状三维碳材料的应用>

本发明的花瓣状三维碳材料可以用作吸附材料。

本发明的花瓣状三维碳材料是以花瓣状三维聚合物组装体作为前驱体，在惰性气氛中碳化而得。由于花瓣状三维聚合物组装体由聚合物纳米片组成，而煅烧碳化过程并不会破坏花瓣状三维聚合物组装体的结构，因此煅烧后形成的花瓣状三维碳材料由碳纳米片构成，并且具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点，能够作为吸附材料使用。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例一

本实施例提供了一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法，花瓣状三维纳米碳材料通过三维聚合物组装体碳化得到，继承了三维聚合物组装体的结构特征，由超薄碳纳米片构成，并且纳米片之间互相分离，并具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点。制备方法包括如下步骤：

(1)、花瓣状三维聚合物组装体的制备步骤：

将2000mg两亲性聚合物以25mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在反应釜中加热至160℃，并在该温度下保温25分钟，冷却至室温，得到含有花瓣状三维聚合物组装体的分散液。将该分散液进行离心，并用无水乙醇洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、花瓣状三维碳材料的制备步骤：

在氩气的保护下，将步骤(1)中所得的花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)在600℃碳化，并在该温度下保温2小时后，冷却至室温，得到具有高比表面积与丰富孔结构的花瓣状三维碳材料。

如图1所示，所得的花瓣状三维聚合物组装体是由聚合物纳米片组装形成，纳米片之间并未形成团聚，因此该花瓣状三维聚合物组装体具有高比表面积。图2表明在碳化过程中，花瓣状三维聚合物组装体的形貌特征得以完好保存，并未在煅烧过程中被破坏。因此所得的花瓣状三维碳材料由纳米片构成，纳米片之间具有丰富的空隙，保证了花瓣状三维碳材料的高比表面积与吸附位点的充分暴露。氮气吸脱附实验表明，该花瓣状三维碳材料的比表面积高达684.1m²/g，如图3所示。图4为花瓣状三维碳材料对重金属离子的吸附效果。从图中可知，花瓣状三维碳材料对于铜、铅、汞和铬离子都具有优异的吸附效果。吸附完成后，其吸附效率均达到96％以上，对于铅离子和铜离子更是达到99％以上。

实施例二

本实施例提供了一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、花瓣状三维聚合物组装体的制备步骤：

将2000mg两亲性聚合物以50mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在反应釜中加热至160℃，并在该温度下保温40分钟，冷却至室温，得到含有花瓣状三维聚合物组装体的分散液。将该分散液进行离心，并用无水乙醇洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、花瓣状三维碳材料的制备步骤：

在氢气的保护下，将步骤(1)中所得的花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)在750℃碳化，并在该温度下保温2小时后，冷却至室温，得到具有高比表面积与丰富孔结构的花瓣状三维碳材料，比表面积高达560m²/g。

实施例三

本实施例提供了一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、花瓣状三维聚合物组装体的制备步骤：

将2000mg聚合物p(ppda-alt-pdma)以75mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在反应釜中加热至160℃，并在该温度下保温60分钟，冷却至室温，得到含有花瓣状三维聚合物组装体的分散液。将该分散液进行离心，并用无水乙醇洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、花瓣状三维碳材料的制备步骤：

在氨气的保护下，将步骤(1)中所得的花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)在900℃碳化，并在该温度下保温2小时后，等却至室温，得到具有高比表面积与丰富孔结构的花瓣状三维碳材料，比表面积高达746m²/g。

实施例四

本实施例提供了一种花瓣状三维纳米碳材料及其制备方法，其制备方法包括如下步骤：

(1)、花瓣状三维聚合物组装体的制备步骤：

将2000mg两亲性聚合物以100mg/ml的浓度溶解于二甲基甲酰胺(dmf)中，将该聚合物溶液在反应釜中加热至160℃，并在该温度下保温80分钟，冷却至室温，得到含有花瓣状三维聚合物组装体的分散液。将该分散液进行离心，并用无水乙醇洗涤沉淀物3次，在真空烘箱中干燥24小时后得到花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)。

(2)、花瓣状三维碳材料的制备步骤：

在氩气与氢气(50％体积分数)的保护下，将步骤(1)中所得的花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)在1100℃碳化，并在该温度下保温2小时后，冷却至室温，得到具有高比表面积与丰富孔结构的花瓣状三维碳材料，比表面积高达876m²/g。

综上，本发明提供的一种花瓣状三维碳材料及其制备方法，花瓣状三维纳米碳材料通过三维聚合物组装体碳化得到，继承了三维聚合物组装体的结构特征，由超薄碳纳米片构成，具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点。其制备方法为：以花瓣状三维聚合物组装体作为前驱体，具体而言，是利用两亲性聚合物在二甲基甲酰胺中进行热处理后发生分子内环化反应，从而进行原位自组装形成花瓣状三维聚合物组装体。通过离心、洗涤与干燥后，得到花瓣状三维聚合物组装体(粉末形式)。以该花瓣状三维聚合物组装体作为碳源与前驱体，在氩气等惰性气氛中进行煅烧，制成花瓣状三维碳材料。在该制备方法中，花瓣状三维聚合物组装体由聚合物纳米片组成，而两亲性聚合物中的大量苯环结构保证了其在碳化过程中的结构稳定性，因此碳化后得到的花瓣状三维碳材料保留了其前驱体的次级结构，即由碳纳米片组成。该制备方法节能环保、步骤简便、省时省力，同时原料已经工业化，因此具备工业化生产的基础。所得的花瓣状三维纳米碳材料具有比表面积高、吸附位点充分暴露的特点，可以高效吸附水体中的重金属离子等污染物，是一种理想的吸附材料。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

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