[发明专利]三维多孔碳材料、三维多孔掺氮碳材料、其制备方法和应用

说明书

本发明涉及三维多孔碳材料、三维多孔掺氮碳材料、其制备方法和应用。制备三维多孔碳材料的方法包括以下步骤：（1）将对苯二胺与对苯二甲醛均匀分散到有机溶剂中，在60～150℃水热反应1～15小时，得到有机碳源的前驱体；（2）将所得有机碳源的前驱体置于含有气相碳源和保护气的气氛中，在600～1000℃下热处理0.5～6小时，得到三维多孔碳材料。得到的三维多孔碳材料孔径主要分布在微孔范围内，比表面积大，导电性能良好，是超级电容器的合适材料。

技术领域

本发明涉及一种三维多孔碳材料以及一种三维多孔掺氮碳材料、及其制备方法和应用，具体地涉及一种水热法兼化学气相沉积法制备孔径可控的三维多孔碳粉体和三维多孔掺氮碳材料粉体的方法，该发明属于材料领域。

背景技术

随着科学技术的日益发展，人类生活水平逐渐提高，然而环境问题成为日益关注的焦点，主要包括三个方面：土壤污染，水体污染和大气污染。特别是在大气污染中，二氧化碳等温室气体的排放导致全球气候变暖，冰雪融化使海平面上升，以至于物种灭绝等一系列问题。诸多问题都源于人类不能有效的利用能源，所以对能源的高效、低成本利用及储存已成为二十一世纪人类发展的热点问题，在全球引起了广泛关注。作为绿色储能方式的锂电池以及超级电容器备受各界青睐，特别超级电容由于其具有功率密度大，能量密度适中，循环寿命长，操作安全方便，等优点，作为绿色的储能系统吸引了广大科研人员以及各国政府部门的特别关注，因此超级电容具有广泛的应用前景。超级电容器电极材料种类很多，包括石墨烯，过渡金属氧化物，金属硫化物，导电高分子聚合物以及多孔碳材料。多孔碳材料具有质量轻、比表面积大、韧性高、模量高、稳定性好、耐温高，耐酸碱、无毒、吸附能力好、易于加工等优良性能，因而被众多领域所关注。近几年来，碳材料学科的发展速度非常之快，特别是在新型绿色储能器件——超级电容器中的研究与应用。与其他电极材料，诸如石墨烯、金属氧化物、金属硫化物等相比，碳材料制备方便、周期短、价格便宜。超级电容器的独立支撑电极需具有较高的机械强度和大的电容，而三维多孔碳材料具有韧性高、模量高、稳定性好、耐温高、化学稳定好、这些优良性能使多孔碳材料及多孔碳基材料成为超级电容器电极材料很有力的竞争者。Chen等于2009年发表了一篇以蔗糖为碳源与乙醇和去离子水共混后通过水热合成法制备中孔碳微球，当其应用于超级电容器中比容量高达251F/g。近来，有研究者用硅胶和多孔玻璃为模板剂制备了球状中孔碳材料，碳前驱体苯酚和十六胺在硅胶的空隙中发生聚合，再经过热化处理、碳化、除模板等步骤得到中孔碳材料。也有研究者利用商用硅溶胶纳米粒子为模板，间苯二酚和甲醛为碳源制备出中孔碳。但是这些传统的模板法在多孔碳材料制备过程中程序繁琐，需要先合成模板，难以控制材料的大孔结构，而且碳源容易沉积产生无孔碳材料。由此可见，如何实现低成本、方法简单、孔径可调的三维多孔碳材料制备方法尤为重要。

在众多制备方法中多孔碳材料的制备方法主要有催化活化法、模板法、有机凝胶碳化法以及聚合物共混碳化法等。催化活化法制备碳材料孔径难以控制，模板法可以制备出有序介孔碳材料，但是会导致含氧官能团的引入，导致其导电性不好，并且存在制备程序繁琐，模板难以去除等问题，在有机凝胶碳化法中，碳源容易沉积产生无孔碳材料。虽然当前有很多种制备多孔碳材料的方法，但是由于当前种种方法程序繁琐，价格高昂等缺点，很难实现大规模生产。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种在制备过程中无需除模，方法简单，成本低廉，可以实现大规模生产的制备三维多孔碳材料、三维多孔掺氮碳材料的方法，由该方法制备的高比表面积、微孔可调的三维多孔碳材料、三维多孔掺氮碳材料；以及它们的应用。

本发明人经研究发现，利用对苯二胺与对苯二甲醛水热反应聚合，再经过碳化等一系列处理可以得到高比表面积，微孔可调的多孔碳材料。由于此方法不需要引入任何模板，因此在制备过程中无需除模，方法简单，成本低廉，可以实现大规模生产。

第一方面，本发明提供一种制备三维多孔碳材料的方法，其包括：