[发明专利]一种基于铁盐催化石墨化氮掺杂碳纳米材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于铁盐催化石墨化氮掺杂碳纳米材料的制备方法，将具有邻苯二酚基团的单体与能电离出Fe³⁺的铁盐混合反应，借助邻苯二酚与Fe³⁺间的配位作用制备聚合物交联网络，再以高温煅烧的方式碳化，此过程中Fe³⁺催化聚合物形成高度石墨化的碳层，被还原成铁单质或铁的化合物并负载在碳层上，在利用酸处理碳载体上负载的铁单质及其化合物后，即得到石墨化氮掺杂碳纳米材料。本方法反应过程简单，条件温和；既将铁盐作为构筑交联网络的配体使用，又将铁盐作为催化剂使用；制备出的高度石墨化的氮掺杂碳纳米材料不仅有异质元素氮的掺杂，还主要由石墨化的碳层组成，在碳纳米材料的负载和催化性能等方面展现出潜在优势。

技术领域

本发明属于杂化纳米材料领域，特别涉及了一种基于铁盐催化石墨化氮掺杂碳纳米材料的制备方法。

背景技术

碳材料具有高比表面、高比强度、高比模量、化学稳定、导电导热、价格低廉、来源丰富等一系列综合性质，是优异的功能化复合材料基元。其中碳材料的性能在很大程度上与其自身的结晶度、物理结构和表面性质有关，有序结构的石墨化碳材料在负载、催化等方面相较于无定形碳有很大的提升。经研究表明，碳材料在高温下可以由无序结构向有序结构转变，而在此过程中添加一些辅助剂可以有效地降低此转变温度，即为碳材料的催化石墨化。因此，碳材料的石墨化研究，尤其是催化石墨化转变是国内外碳材料研究的重点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于铁盐催化石墨化氮掺杂碳纳米材料的制备方法，解决了上述背景技术中的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供了一种基于铁盐催化石墨化氮掺杂碳纳米材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备聚合物交联网络：

将含邻苯二酚基团单体与铁盐以1:0.2～5的比例溶于醇或超纯水中，在20～30℃下以200～600rpm的速度搅拌反应0.5～1.5h，得到黑色浑浊溶液；将所得黑色浑浊溶液逐滴滴入沉淀中，沉淀后进行离心分离得到黑色固体，用醇离心洗涤3～5次，经真空干燥得到聚合物交联网络；

(2)碳化：

将聚合物交联网络以1℃/min的速度升温至380～420℃，恒温2h，再以1℃/min的速度升温至780～820℃，恒温2h，随后冷却至室温，得到黑色粉末即为负载铁的石墨化碳层；

(3)酸处理：

将黑色粉末分散在1M的酸溶液中，于100～120℃下回流，以200～600rpm的速度搅拌反应6h，离心洗涤5～7次，在真空干燥箱里以60℃处理24h后即得到石墨化氮掺杂碳纳米材料。

在本发明一较佳实施例中，所述含邻苯二酚基团单体制备步骤为：将多氨基化合物及3,4-二羟基苯甲醛按照摩尔比1:2～4的比例溶于醇中，在10～50℃、避光、搅拌速率200～600rpm的条件下搅拌反应12～48h，得到含邻苯二酚基团单体。

在本发明一较佳实施例中，所述多氨基化合物为乙二胺、对苯二胺、2,2-双[4-(4-氨基苯氧基)苯基]六氟丙烷、三(2-氨基乙基)胺、三(4-氨基苯基)胺、5,10,15,20-四(4-氨基苯基)卟啉中的任一种。

在本发明一较佳实施例中，所述铁盐包括三氯化铁、硝酸铁、硫酸铁、焦磷酸铁、乙酰丙酮铁、柠檬酸铁、草酸铁中的任一种。

在本发明一较佳实施例中，所述沉淀剂为正己烷、乙酸乙酯、乙醚、石油醚中的任一种。

在本发明一较佳实施例中，所述醇为甲醇或乙醇。

在本发明一较佳实施例中，所述惰性气氛为氩气或氮气。

在本发明一较佳实施例中，所述酸溶液包括盐酸。