[发明专利]一种富氮多孔炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种富氮多孔炭材料的制备方法，属于无机非金属碳素材料技术领域。

背景技术

多孔炭材料，也称活性炭，具有高的比表面积和发达的孔隙结构，是一种性能优异的吸附材料，广泛应用于水质净化、废气治理、味精脱色、溶剂回收、化学防护等领域，还可用于气体储存、催化剂载体和电化学储能等。多孔炭材料的制备一般以煤、树脂和木质材料为原料，传统的制备方法是先将其在惰性气氛中高温裂解炭化，然后再进行物理活化(以水蒸气、空气或二氧化碳等为活化剂)或者化学活化(以H₃PO₄、ZnCl₂、KOH、NaOH等为活化剂)。炭化只是形成了初步的孔隙，一般比表面积在100m²/g以内。采用物理活化制备的活性炭的比表面积一般在500-1000m²/g，采用化学活化制备的活性炭的比表面积可达1000-3000m²/g。

富氮多孔炭材料由于在多孔炭的结构中掺杂了一定量的氮原子改善了其导电性、电子给予性能、碱性等，从而使其具有了许多特异的性能，如：用于超级电容器的电极材料不仅可以改善电极与电解液的浸润性，还可产生准电容使多孔炭的比电容大大提高；用作催化剂载体可以使催化活性大大提高，甚至可以直接用作催化剂；对二氧化碳的储存能力也显著优于普通活性炭。

富氮多孔炭的制备方法主要有两种。一种是后处理法，将多孔炭材料在含氮气体(如氨气等)中热处理或者与含氮有机物(如尿素、胺、嘧啶、三聚腈胺等)共热。另一种是以含氮的高分子聚合物为原料，使多孔炭在制备过程中能保留原料结构中的部分氮原子。常用的含氮高分子聚合物主要有三聚氰胺甲醛树脂(Chem.Mater.，2005，17：1241)、聚苯胺(Carbon，2009，47：2984)、聚丙烯腈(Electrochimi.Acta，2010，55：7021)、聚吡咯(Energy Environ.Sci.，2011，4：717)和明胶(Energy Environ.Sci.，2012，5：7950)等，相应的制备方法主要包括炭化-活化法、模板法、溶胶凝胶法、聚合物共混法等。

采用含氮有机酸盐为原料，直接高温裂解制备富氮多孔炭材料的方法未见专利和文献报道。

发明内容

本发明提出了一种简便制备富氮多孔炭材料的方法，其思路是：以含氮有机酸盐为前躯体，将其在惰性气氛保护下进行高温裂解，得到炭包覆金属氧化物的复合物，再用酸除去金属氧化物，得到炭材料。由于做为碳源的有机酸中含有氮元素，因此在高温裂解产物炭的网络结构中也残留了部分氮元素；有机酸裂解中释放出CO₂、水蒸汽和一些小分子含炭化合物从而产生大量的微孔，同时热解产物中的金属氧化物实际上起到了模板剂的作用，采用酸洗涤后会留下一定量的中孔，因此所得炭材料又具有发达的多孔结构。通过前驱体的选择和改变热解工艺可以实现氮含量和多孔结构的调控。

该发明的具体制备方法如下：

以乙二胺四乙酸盐为前躯体，将其在惰性气体的保护下于400-1200℃恒温热解0.5-12h，酸洗除去金属氧化物，再水洗至中性，得到氮含量1.6～15.5％、比表面积600-2000m²/g、孔容0.3～1.8cm³/g的富氮多孔炭材料。

所述乙二胺四乙酸盐为乙二胺四乙酸的四钠盐、二钠盐、钠镁盐、铁盐、钙盐或锰盐。

本发明酸洗所用的酸为盐酸、硫酸、硝酸、磷酸中的一种以上物质。

本发明所用的惰性气体为氮气、氩气或两者的混合气体。

本发明与现有技术相比有以下优点：

(1)所制备的炭材料兼有高的氮含量和发达的多孔结构。氮含量可达1.6-15.5％，比表面积600-2000m²/g，孔容0.3～1.8cm³/g。

(2)方法简单。只需炭化，无需活化，是一种免活化的制备方法。

附图说明

图1为实施例1所得炭材料的扫描电子显微镜照片。

图2为实施例1所得炭材料的氮吸附等温线。

图3为实施例1所得炭材料的X射线光电子能谱图。

图4为实施例1所得炭材料在6mol/L KOH电解液中50mA/g电流密度下的充放电曲线。

图5为实施例1所得炭材料在6mol/L KOH电解液中的循环性能曲线。

具体实施方式