[发明专利]一种一步法合成异相原子掺杂碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体涉及一种一步水热法制备异相原子（氮、硫、硼、磷等）掺杂的碳材料的方法。

背景技术

微纳米碳材料如碳纳米管、石墨烯、介孔碳等由于其自身独特的结构而具有不同于块体材料的优异的性能，从而在能量存储、吸附剂、传感器、存储材料、催化材料、超级电容器等方面具有很广泛的应用前景。理论和试验研究均表明异相原子的掺杂可以改变碳材料的晶体结构和电子结构从而提高其电化学性能、吸附、催化等性能。异相原子掺杂碳材料的合成方法主要包括原位合成法和后处理法。原位合成法往往需要特殊的设备、高温、以及精确的条件控制，因此费用较高而且合成步骤复杂；而后处理法则常常需要有毒的物质来作为异相原子源（例如氮掺杂需要吡啶、多巴胺等），并且后处理法往往对碳材料的形貌、结构等具有较大的影响。所以，目前如何低成本大规模的制备异相原子掺杂的碳材料并对其结构和性能实现精确调控仍然面临着巨大的挑战。

发明内容

面对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单易行、价格低廉、可以大规模实现的制备具异相原子掺杂的碳材料的方法。

在此，本发明提供一种一步法合成异相原子掺杂碳材料的方法，包括：将碳材料和异相原子源均匀分散于水和/或乙醇中得到混合溶液并于120～200℃水热反应12～48小时制得异相原子掺杂碳材料；其中所述异相原子包括N、S、B、P、和F中的至少一种。

本发明通过一步水热法即可制得异相原子掺杂碳材料，制备条件简单，易于操作，可以用于大规模制备。根据本发明的方法制备得到的异相原子掺杂碳材料，在掺杂异相原子的同时，保持了碳材料原有的性能，如比表面积、孔径分布、晶型结构等基本不变，而且具有良好的氧还原性能、储氢性能、二氧化碳吸附性能等，可以用于燃料电池催化剂、锂电池、超级电容器、吸附、气体储存等领域。本发明中，可以通过对反应时间、温度以及碳材料与异相原子源的比例来调节材料中异相原子的掺杂浓度，从而可以根据需要获得不同掺杂浓度的异相原子掺杂碳材料。

较佳地，所述碳材料为石墨烯、碳纳米管、介孔碳、炭黑、富勒烯、或活性炭。本发明应用广泛，可以应用于各种碳材料的异相原子掺杂。

较佳地，所述异相原子源包括至少一种含有N、S、B、P、和F中的至少一种元素的无机化合物。本发明的异相原子源可以采用各种含有掺杂元素的无机化合物，来源广泛，廉价易得，从而可以降低制备成本。另外，可以采用一种或多种异相原子源，或者采用含有多种异相原子的异相原子源，从而实现一种或多种异相原子的共同掺杂。

优选地，所述异相原子源可以为氨水、硫化钠、硫化铵、硼酸、磷酸、氟化铵、碳酸氢铵、和尿素中的至少一种。通过采用这些无毒或低毒的物质为异相原子源，可以降低对人和环境的危害。

本发明中，所述碳材料和所述异相原子源的比例可以为任意比例。这样可以根据需要选取不同的比例从而获得不同掺杂浓度的异相原子掺杂碳材料。

优选地，所述碳材料和所述异相原子源的质量比为1：（0.01～100），优选为1:5。

较佳地，在所述混合溶液中，所述碳材料的浓度为2～10g/L。

附图说明

图1为实施例1所用的原料碳纳米管（A）及制得的氮掺杂碳纳米管（B）的SEM照片；

图2为实施例1所用的原料碳纳米管（CNT）及制得的氮掺杂碳纳米管（CNT-N）的孔径分布图；

图3为实施例1所用的原料碳纳米管（CNT）及制得的氮掺杂碳纳米管（CNT-N）氮气吸附脱附曲线；

图4为实施例1所得到的氮掺杂碳纳米管在氧气（实线）或氮气（虚线）饱和的0.1M KOH水溶液中的CV曲线；

图5为实施例2所得到的硼掺杂介孔碳在氧气（实线）或氮气（虚线）饱和的0.1M KOH水溶液中的CV曲线；

图6为实施例3所得到的硫掺杂炭黑在氧气（实线）或氮气（虚线）饱和的0.1M KOH水溶液中的CV曲线；

图7为实施例1所得到的氮掺杂碳纳米管的元素mapping图。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

本发明提供一种简单易行、价格低廉、可以大规模实现的制备具异相原子掺杂的碳材料的方法。其中，所掺杂的异相原子可为N、S、B、P、和F中的至少一种。