[发明专利]一种含氮多孔炭的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氮多孔炭的制备方法，更具体地涉及一种以预氧化的多孔炭为母体、三聚氰胺/双氰胺为原料，利用化学气相沉积反应，在密闭环境中将含氮物种沉积在多孔炭孔道内壁，制备得到含氮多孔炭材料，属于多孔材料领域。

背景技术

多孔材料如多孔炭，具有高表面积和发达的孔隙，被广泛用作吸附剂、催化剂载体、电池和超级电容器电极材料等，但常规多孔炭材料难以满足日益提高的性能需要，例如活性炭，虽然比表面积较高，但其孔径小(＜2nm)，不利于电解液的渗透和自由出入，用于超级电容器时(J.Power Sources，2006，161：730)其表面积利用率只有20-30％。从两个方面可以提高多孔炭材料的性能，一是提高多孔炭材料比表面积的同时尽可能的提高中孔率。常用的制备方法有：催化活化法、混合聚合物炭化法、有机溶胶-凝胶法和模板剂法等；二是从提高单位面积的性能出发，将多孔炭材料进行表面改性，常用的改性方式是掺杂氧、磷、硼、金属以及金属氧化物等。近年来，在多孔炭材料中掺杂氮元素制备的含氮多孔炭成为这方面的研究热点，文献较多。需要注意的是，掺杂氮元素以后，多孔炭材料的一些性质会发生改变：(1)改变多孔炭材料表面的pH值，一般是碱性增强，pH值升高；(2)提高多孔炭材料的导电性；(3)提高多孔炭材料作为载体或者本身氧化-还原反应的催化性能；(4)增强多孔炭材料作为载体与被负载催化剂的作用力，使得催化剂更容易分散，提高催化性能(Applied Catalysis，2008，B79：89)。

文献报道的掺杂氮的路线有两种，第一种方法是用含氮的前驱物制备多孔炭材料，在得到炭材料的同时掺杂氮元素。这种路线不需要另外的步骤，氮元素的含量可以达到30％，甚至更高。具体方法较多，可以参见有关综述(J.Nanosci.Nanotechnol.2005，5：1345.)。其中C.Pevida等人以气相二氧化硅为模板剂，以三聚氰胺与甲醛为原料，经过聚合、固化、炭化、氢氧化钠溶解除硅、洗涤等步骤制备了含氮多孔炭，氮含量最高为30％，比表面800m²／g，二氧化碳的吸附量可达2.25mmol／g，性能优异。Denisa Hulicova等人(Chem.Mater.2005，17：1241)用云母为模板剂，以三聚氰胺与甲醛为原料，用类似的方法制备得到了氮含量约为40％、表面积为400m²／g、电容特性优异的含氮中孔炭材料。第二种是先制备多孔炭材料，然后用含氮的化合物如尿素、铵盐、氨气等高温下改性(掺杂)制备得到(Carbon，2003，41：1925，Electrochem.Commun，2008，10：1105)，在这种方法制备得到的含氮炭材料中，氮元素在其表面形成如胺基一类的基团，增强了炭材料的亲水性，使其在水性溶液中容易分散。由于是后续的改性，上述方法制备的炭材料掺杂的氮元素的量十分有限，一般小于5％，性能提高不明显。