[发明专利]一种氮或金属掺杂碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种氮或金属掺杂碳材料的制备方法，包含以下操作步骤：(1)采用2，6‑二乙酰基吡啶与2个或2个以上的氨基单体，在溶剂、催化剂和惰性气体保护的条件下，反应，形成亚氨基吡啶配体聚合物；(2)将步骤(1)所得亚氨基吡啶配体聚合物在惰性气体保护下，进行热裂解处理，得到氮掺杂碳材料，后处理，即得。本发明制备所得氮或金属掺杂碳材料的制备方法的含氮重量约占0.5％～10％，热裂解聚合物后得到产品的产率为29～57％，产品BET约300m²/g至1500m²/g，用作超级电容时表现出大的电容特征，用作锂电池电极材料时，表现出良好的储锂性能和循环稳定性能。

技术领域

本发明属于电化学能源材料技术领域，具体涉及一种氮或金属掺杂碳材料的制备方法。

背景技术

碳是自然界来源最为广泛的元素之一，存在多种同素异形体类型，结构从一维到三维。碳是一种理想的基体材料，具有成本低，导电性良好，比表面积大，结构及稳定性好等优点而广泛应用在能源材料、医用材料、催化材料中。对于氮掺杂材料而言，氮原子比碳原子多一个价电子，氮原子的掺入改变了周围碳原子的电子结构和能带隙，使碳材料的导电形式发生改变，使得自由载流子数量增加；氮掺杂进入六元环结构后可形成吡啶型，吡咯型及石墨型等含氮官能团，这些官能团可提高碳材料表面活性，还可对其电子结构进行调节，且氮原子的尺寸大小及电负性均与碳原子不同，在材料内部造成电荷的重新排布及因掺杂引起的晶体缺陷。同时，掺杂原子可引起自旋再分配从而产生新的更为优异理化性能，可作为具有吸附金属原子能力的活性位，增强金属原子与碳原子间的相互作用。所以，氮碳掺杂方面的研究吸引了众多科学工作者的目光。

目前研究的掺氮碳材料主要应用在燃料电池、锂离子电池和超级电容器等领域。掺氮碳材料在超级电容器方面的应用也引起了人们的广泛关注，超级电容是一种新型储能装置，其比能量大，质量轻，充放电效率高，且可充放电次数多，与二次电池相比，具有功率更高，循环稳定性更好的优点，而掺氮碳材料具有导电率高，比表面积大，抗腐蚀性能好，稳定性好等优点。将掺氮碳材料应用于超级电容器，氮原子很容易进入碳材料中，氮原子的掺入可作为电子供体，增大电容，也能润湿碳材料。在超级电容中可增大双电层面积，增加电容器的能量存储，且相容性良好，是一种优秀的超级电容器电池材料，如电沉积法制备聚苯胺纳米纤维，制备含氮碳化物用于超级电容器中，明显提高电容和导电率，目前广泛应用的掺氮碳材料有掺氮活性炭和掺氮石墨烯。

掺氮碳材料一般以化学氮和结构氮的形式存在于活性炭中，化学氮存在于炭表面，以氨基、亚硝基的形式存在，而结构氮占据着碳骨架位置。氮掺杂碳材料的制备方法一般有原位掺氮法，后处理法和直接合成法[Adv.Funct.Mater.,2012,22,1069.]。原位掺氮法是以富氮前驱体作为氮源与碳源，如选用聚吡咯、聚苯胺等高聚物以及葡萄糖、蔗糖等，当使用气体乙腈时，用化学气相沉积法或模板法制得多孔结构材料[Nature,2010,468,549.]。后处理法是在具备碳源时掺入氮源，如引入氨气、乙二胺等富氮化合物，后处理时通过热处理法，等离子体处理法和水合肼处理法得到。如氮原子掺入石墨烯中，以吡啶氮，吡咯氮和石墨氮形态存在。直接合成法如化学气相沉积法[ACS Nano,2012,6,5259.]，是在硅基板上附着铜，在氢气800℃的氛围下化学气相沉积得到掺氮石墨烯。隔离生长法、溶剂热法，如以尿素作为氮源，与氧化石墨烯液相混合后，冷冻干燥除水，在惰性气体氛下经600℃热处理得到掺氮石墨烯[Adv.Ener.Mater.,2012,2(7):884-888.]。电弧放电法，在氢气和氮源氛围中，碳电极之间进行电弧放电得到掺氮碳材料。其它还有等离子体放电法，在氨气下微波加热石墨，获得掺氮石墨烯。