[发明专利]一种具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球的制备方法，包括以下步骤：将有机含氮碳源进行溶剂热反应，得到具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球。本发明所述的制备方法合成工艺简单，反应条件温和，原料可重复利用，产率高；且在较低的温度下，不加入任何金属催化剂和表面活性剂即可制备出球形度较好的具有高产率和单一超微孔径分布的具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球。利用所述制备方法制备得到的具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球的孔径分布在0.3～0.4nm的范围内，其作为电极材料时具备较好的倍率性能。

技术领域

本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球及其制备方法和应用。

背景技术

自上世纪80年代纳米碳管发现以来，在世界范围内掀起了碳材料的研究热潮，不同结构和形貌的新型碳材料相继被合成出来，如富勒烯、石墨烯等。碳微球由于其具有化学稳定性好、低成本、生物相容性和导电性好等诸多特点而被广大科研人员所研究。而且碳微球还具有许多优良的光、电、力学等性能，但是它并不是十全十美的，这是因为纯碳材料的结构比较完整，活性位点较少，很大程度上限制了碳材料的应用领域。因此碳材料的修饰和改性成为碳材料制备中最热点的研究方向。

近年来，非金属杂原子掺杂的碳材料得到快速发展，主要是由于杂原子掺杂后的碳材料的性质有很大的影响，如在电学方面，由于杂原子的引入，碳材料的电导率有很大的提高；同时碳原子的自旋密度和电荷分布受周围杂原子的影响，在碳的表面创造了更多的活性位点。并且研究者发现杂原子掺杂的碳材料在很多领域都有着广泛的应用。如，超级电容器、锂离子电池、电催化、有机催化等。

石墨化的碳微球由于堆积密度大，可以实现紧密填充，循环性能好，价格较低等优点，受到了研究者的广泛关注。含氮的石墨化碳微球由于具有特殊的组成和微观结构，使其在新能源、环境污染处理等诸多方面表现出良好的应用前景。Qiu-Feng Lu等(JournalofAnalytical andAppliedPyrolysis,2012,93:147–152)以高温热解共聚物的方法得到氮掺杂的碳空心球，但其由于在热解的过程中会有气态物质产生，造成碳材料的产率和转化率较低，并且产物的孔径分布很宽；Y.M.Yu等(Fuel cells，2012,12:506-510)利用二氧化硅为模板，通过在不同温度下碳化多巴胺，最后再去模板的方法得到氮掺杂的碳空心球。其制备方法需要高温(1000℃)对材料进行处理，而且其反应为多步反应，操作步骤繁琐。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球的制备方法，所述制备方法条件温和，操作简单，成本低，且利用所述制备方法制备得到的具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球孔径分布单一。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球的制备方法，包括以下步骤：

将有机含氮碳源进行溶剂热反应，得到具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球。

优选的，所述有机含氮碳源为吡啶、咪唑、乙二胺、吡咯、乙腈、苯胺和二乙胺中的一种或几种。

优选的，所述溶剂热反应的温度为300～600℃。

优选的，所述溶剂热反应的时间为4～72h。

优选的，所述溶剂热反应完成后还包括：将所得产物体系冷却后进行过滤，将所得固体物料依次进行洗涤和干燥。

优选的，所述干燥的温度为50～100℃，所述干燥的时间为5～15h。

本发明还提供了所述制备方法制备得到的具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球，所述具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球中氮的掺杂量为5％-20％。

优选的，所述具有超微孔结构的氮掺杂石墨化碳微球的孔径为0.3～0.4nm。