[发明专利]一种高氮掺杂炭材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料领域，具体地说涉及一种高氮掺杂炭材料的制备方法。

背景技术

炭材料由于其具有比表面积大、导电性优异、物理化学性质稳定以及廉价易得等优点，使其在储能、吸附、传感、催化等领域具有广泛的应用前景。此外，通过对炭材料的掺杂改性处理，可以调节其电子结构及表面特性，能够大大提高其各方面的性能，进一步扩大其应用范围。

氮掺杂作为一种十分有效的改性手段已经得到了广泛的研究。通过在炭骨架中引入富电子N原子，可以改变材料的能带结构，使材料的价带降低，增加材料费米能级上的电子密度；此外，N原子由于其额外的孤对电子可以带给sp²杂化炭骨架离域π系统负电荷，从而增强电子传输特性及化学反应活性。氮掺杂炭材料在电催化、超级电容器、离子电池、以及CO₂吸附方面已经展现了良好的性能。并且从目前报道的文献来看，炭材料中氮掺杂水平越高，往往能够表现出越好的性能[L.Zhao,L.Z.Fan,M.Q.Zhou,H.Guan,S.Y.Qiao,M.Antonietti,M.M.Titirici,Adv.Mater.,2010,22,5202-5206]。因此，高氮掺杂炭材料的制备已经成为了一个十分重要的问题。

目前，氮掺杂炭材料的制备主要有以下两种方法：1)通过直接热解富氮前躯体，即原位氮掺杂；2)通过后处理的方法在已得炭材料上引入含氮官能团。一般来说，后处理的方法只能在炭材料表面引入含氮官能团并且氮含量一般低于10at％，而直接热解的富氮前躯体被认为可以获得比较高的氮掺杂水平。目前，常用的含氮前躯体主要集中在聚苯胺、聚吡咯以及聚丙烯腈等一些高分子聚合物。但是，这些聚合物往往具有比较低的N/C比，并且由于有限的溶解性，使得聚合物的合成过程也比较复杂。

配位聚合物，也叫金属有机骨架材料(MOFs)，是由金属中心与有机配体通过配位作用形成的多孔材料。最近几年，配位聚合物被用作模板或前躯体来制备氮掺杂的多孔炭材料。目前，制备氮掺杂炭材料的配体主要集中在咪唑以及其衍生物。但是这些配体往往价格比较昂贵，在很大程度限制了其大规模制备，不利于工业化生产。因此，寻找价格低廉的具有高N/C比的配体十分关键。

发明内容

本发明就是为了解决现有方法制得的材料N/C比低、配体材料成本较高的技术问题，提供一种配体材料成本低、制得的材料N/C比较高的高氮掺杂炭材料的制备方法。

为此，本发明提供的方法包括如下步骤：步骤一：按摩尔浓度比1:(0.25～4)称取六亚甲基四胺与金属盐，然后将其溶于溶剂中，室温下反应0～48h，过滤后并用溶剂洗去未反应原料，然后烘干得到六亚甲基四胺基配位聚合物前躯体；步骤二：取所述步骤一所得配位聚合物前躯体，在惰性气氛中逐步加热至200～1000℃，保温1～5小时，酸洗或不酸洗之后得到高氮掺杂炭材料。

优选的，步骤一中，所述金属盐为铁盐、镉盐、钴盐、镍盐、铜盐、锡盐、钒盐、钼盐或钛酸盐的一种。

优选的，步骤一中，所述溶剂为水、乙醇、盐酸、丙酮、硫酸、N,N-二甲基甲酰胺中的一种。

优选的，步骤二中，所述酸为盐酸、硝酸、过氧化氢或硫酸。

本发明以六亚甲基四胺基配位聚合物前躯体为原料，可以充分利用配位聚合物的稳定性以及六亚甲基四胺的高N/C比，从而制备出高氮含量掺杂的炭材料。六亚甲基四胺作为一种工业原料，原料易得，价格便宜，并且制备工艺简单，易实现大规模生产。

附图说明

图1是本发明为六亚甲基四胺/硝酸铜配位聚合物800℃碳化温度下所得高氮掺杂炭材料扫描电镜图。

图2为六亚甲基四胺/硝酸铜配位聚合物800℃碳化温度下所得高氮掺杂炭材料透射电镜图。

图3为碳化温度分别为600、700、800和900℃下所得高氮掺杂炭材料氮元素含量变化图。

图4为碳化温度800℃下所得高氮掺杂炭材料作为钠离子电池负极材料的倍率性能曲线图。

图5为碳化温度分别为600、700、800和900℃下所得高氮掺杂炭材料的在100mA g^-1电流密度下电压容量曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明：

实施例1