[发明专利]制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用

说明书

本发明公开了一种制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用。本发明基于海藻酸分子结构中羧基的存在，利用羧基与不同结构的有机碱反应，制备一系列的海藻酸质子型离子液体，反应温和，可以很简单方便的通过有机碱的结构调控来调节海藻酸质子型离子液体的结构，达到调控氮掺杂多孔碳材料及其前驱体中氮含量及氮种类的目的，从分子水平对海藻酸进行了原位掺氮，解决了碳源与氮源不可控的关键问题，进而实现了制备含氮碳材料的高值化利用，成功将海藻酸基含氮碳材料单独作为电极材料，并成功应用于储能领域。

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，具体为一种制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用。

背景技术

人类社会的发展及传统能源的快速消耗引发人们对清洁能源的关注，超级电容器因快速冲放、高功率密度及循环寿命等优点而被广泛应用于智能穿戴及新能源汽车等众多领域。碳材料拥有高比面积、优异导电性、可控孔径及价格低廉等特点而成为电容器电极的主要材料(a)LIU,A.Y.and M.L.COHEN,Science,1989.245(4920):p.841-842.；b)Xia,Y.and R.Mokaya,Advanced Materials,2004.16(17):p.1553-1558.)。合成具有高能量密度和循环寿命的碳材料来满足实际应用已成为当今研究的热点。大量研究表明，杂原子的掺杂(如磷、氮、硫和棚等)不仅可以提高碳材料与电解液的润湿性，而且能够有效的提高比容量及碳材料的导电性。氮原子因原子半径与碳原子相近，因此基本不会造成材料结构(a)Goettmann,F.,et al.,Angewandte Chemie International Edition,2006.45(27):p.4467-4471.；b)Zheng,Y.,et al.,EnergyEnvironmental Science,2012.5(5):p.6717-6731.)。传统氮掺杂一般为碳源与氮源相混来获得含氮碳材料，合成前驱体过程复杂且可塑性差。寻求环境友好、高效并且简单的前驱体合成方法来制备含氮碳材料成为电极材料发展的迫切要求。

海藻在海洋生物中所占的数量是非常大的，而且海藻的数量和种类繁多。海藻酸(O.and G.Trends in Biotechnology,1990.8，71-78.)是从褐藻中提取出来的天然多糖高分子聚合物，海藻酸主要以钙盐和钠盐的形式存在于褐藻的植物细胞中，在细胞中起着强化细胞壁的作用，在干燥的褐藻中海藻酸钠的含量一般为20％左右，所以很多时候我们也称海藻酸为褐藻酸(Haug,A.,B.Larsen,and O.CarbohydrateResearch,1974.32(2):p.217-225.)。因其低廉的价格而被大量作为碳源来制备碳材料，其合成的碳材料具有高导电性和比容量。但传统利用海藻酸制备碳材料存在的问题为：

(1)比表面积较低，所制备碳材料性能相对较低(Tian,Z.W.,et al.,MaterialsLetters,2016.180:p.162-165.)。

(2)海藻酸制备碳材料仅作为金属材料的载体(a)Papageorgiou,S.K.,et al.,Journal of Hazardous Materials,2011.189(1):p.384-390.；b)Wang,N.,et al.,AcsApplied MaterialsInterfaces,2016.8(25):p.16035-16044.)。

(3)海藻酸作为碳源与尿素等氮源混合来制备含氮碳材料，掺氮量及前驱体不能可控制备(a)Sa,V.and K.G.Kornev,Carbon,2011.49(6):p.1859-1868.；b)Xuan,C.,etal.,Chemcatchem,2017.9(5):p.809-815.)，2017.10.10,中国专利局保护了专利号为CN105480963B的一种源于聚苯胺-海藻酸钠水凝胶的氮氧共掺杂分级多孔碳及其制备方法。