[发明专利]一种金属-氮掺杂多孔碳微球的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属‑氮掺杂多孔碳微球的制备方法。本发明以4‑乙烯基吡啶单体(4VP)为碳氮源，以不同金属盐为引发剂、配位剂、催化剂和模板剂，首先以金属盐为引发剂使得4VP单体在常温下发生聚合，金属离子与4VP分子中的氮原子形成金属‑配位结构，形成金属‑有机物微球；随后在高温下，微球中的金属又起到了催化剂和模板剂的作用，使有机物转化为碳，且球状结构得以保留，再经酸洗即得金属‑氮掺杂多孔碳微球。本发明金属源可选择性广，步骤简单，制备的氮掺杂多孔碳材料比表面积大、氮元素含量高。大的比表面积和高的氮元素含量使得本材料在能量存储转换、催化和环境保护领域有着巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体的说，涉及一种金属-氮掺杂多孔碳微球的制备方法。

背景技术

多孔碳具有原料来源广，物理化学稳定性好，比表面积大，孔容大，导电性好，耐高温，耐酸碱等特点，广泛应用于电极材料、催化及催化剂载体、气体吸附分离和水净化等诸多领域。研究表明，影响多孔碳性能的主要因素有孔隙结构和表面化学性质。近年来，多孔碳表面化学性质的研究成为热点，主要是将杂原子引入碳骨架中，如N、O、B、S、P等。碳骨架中引入杂原子，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位；同时杂原子可形成局部的表面官能团，使碳材料表面具有酸碱性，这些共同提高碳材料相应性能。目前，关于掺杂，氮掺杂由于氮源广泛且易于引入碳基体而引起广大研究者的兴趣爱好。

根据氮原子与碳原子的结合形式不同，可将材料中的氮原子分为化学氮掺杂和结构氮掺杂。化学氮掺杂是指氮原子以表面官能团的形式存在碳材料表面，为材料提供B-碱位点，如氨基等表面含氮官能团，此类含氮官能团碱性强，较易发生化学反应，但其稳定性差，高温易分解易脱落。结构氮掺杂是将氮原子直接引入到碳骨架中与碳原子键合，增强材料的L-碱性，如吡啶氮，吡咯氮，石墨化氮，氧化吡啶氮等，此类氮稳定性强。表面氮掺杂型多孔碳的制备方法是预先合成的炭材料，用适当的表面修饰剂进行浸渍，热处理，从而引入含氮官能团，常用表面修饰剂包括：三聚氰胺，尿素，NH₃等。结构氮掺杂型多孔碳的制备方法是直接将氮原子引入碳骨架中，通过高温碳化获得氮掺杂多孔碳，该方法所得材料中氮元素分布均匀，且主要以结构氮掺杂的形式存在。常用原料有乙腈、聚丙烯腈、聚吡咯、三聚氰胺、苯胺、含氮离子液体、壳聚糖、氨基葡萄糖及富氮生物质等。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种简单的金属-氮掺杂多孔碳微球的制备方法。

本发明以4-乙烯基吡啶单体(4VP)为碳氮源，以多种金属盐为引发剂、配位剂、催化剂和模板剂成功制备出金属氮掺杂多孔碳微球。本发明的实施过程叙述如下：以金属盐为引发剂使得4VP单体在常温下发生聚合，同时金属离子还与4VP分子中的氮原子形成金属-配位结构，经干燥形成金属-有机物微球。高温条件下，微球中的金属起到了催化剂和模板剂的作用使有机物转化为碳，且球状结构得以保留，再经酸洗即得到含有金属的氮掺杂多孔碳微球。

本发明具体的技术方案通过以下步骤实施：

本发明提供一种金属-氮掺杂多孔碳微球的制备方法，具体步骤如下：

(1)配制4VP/无水乙醇溶液：将4-乙烯基吡啶4VP和无水乙醇混合、搅拌，得到4VP/无水乙醇溶液；

(2)配制金属盐溶液：将金属盐和无水乙醇混合、搅拌得到金属盐/无水乙醇溶液；所述金属盐是铁盐、铜盐、镁盐、镍盐、钴盐、铈盐或者镧盐中任一种；

(3)金属-有机物微球的制备：室温下，将4VP/无水乙醇溶液与金属盐/无水乙醇溶液混合，形成配合物沉淀，然后经离心分离、真空干燥即得金属-有机物微球；

(4)碳化：将金属-有机物微球置于管式炉中碳化，冷却后取出，得到金属-氮掺杂碳微球；

(5)酸洗：将金属-氮掺杂碳微球用酸洗涤，再用水洗，过滤、真空干燥得到金属-氮掺杂多孔碳微球。