[发明专利]一种可控调节氮掺杂量的多孔碳及其制备方法

说明书

本发明具体涉及一种含氮多孔碳及其制备方法。采用冷冻干燥结合高温退火技术，以生物质或生物质废弃物为原料，以尿素为氮源。通过控制尿素溶液的浓度调控多孔碳中的氮含量，以及冷冻干燥过程将尿素带入并残留在多孔碳孔隙结构中；本发明在最大程度上保留材料原始结构并将氮源均匀带入材料内部孔隙中，有利于提高氮源利用率。这种氮含量可调且孔隙结构发达的多孔碳材料，在吸附、储能及催化领域具有较好的应用前景。

技术领域

本发明属于纳米功能碳材料领域，具体涉及一种含氮多孔碳及其制备方法，涉及的多孔碳可作为吸附材料、电极材料、催化材料等应用于能源、环保领域。

背景技术

多孔碳材料由于其来源多样化、结构及表面化学性质可调控，比表面积可观、物理化学性质稳定，为物质的传送、液体的流动、气体的扩散提供了有效通道，使其成为应用于锂离子电池电极、吸附和催化等领域的重要功能材料。在二氧化碳捕集领域由于多孔碳具有回收能量消耗低，且在回收过程中无危险化学品生产等特点，已经成为该领域的研究热点。同时由于多孔碳具有良好的导电性及锂离子扩散路径，使其成为锂离子电池负极材料的重要研究对象。虽然多孔碳基材料在吸附、储能领域的研究己经取得了较大的进展，但对于提高碳基吸附剂的选择性及电化学储能性质等方面仍需深入研究。

目前氮掺杂制备技术主要包括，前掺杂或原位掺杂，即在石墨结构形成时同步掺入氮原子，如气相沉积法（CVD），该方法可获得较高的氮含量，但无法批量生产；后掺杂，通过对碳材料进行氧化、热解、取代等后处理掺入氮原子，后掺杂中的碳材料石墨层早已形成，因此 N 原子无法进入，该方法获得的氮原子掺杂量较低；直接热解法，通过直接热解含氮前驱体，获得氮掺杂碳材料。但是高温热解导致活性氮的大量损失、无法控制碳材料孔结构。

中国专利《一种氮磷共掺杂多孔碳催化剂及其制备方法》，其申请号为：201510888720.0，中国专利《一种磷-氮共掺杂碳材料及其制备方法》，其申请号为20141089749.5，这些专利大都采用硬模板法，经过多步复合修饰来制备多孔碳材料，其合成工艺复杂，后处理过程繁琐，成本较高。中国专利《一种氮掺杂多孔碳颗粒的制备方法》，其申请号为：201810441562.8，利用“黑面包反应”和氨气氛围下的高温热解相结合制备得到氮掺杂多孔碳颗粒，但是使用了浓硫酸，环保效果不好。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，开发了一种以廉价生物质为原料制备氮掺杂多孔碳及其制备方法。在制备过程中所使用的制备方法简单、环保，且产物的氮掺杂含量便捷可控。解决了现有制备方法中使用有毒有害气体、制备工艺复杂、制备成本高、氮掺杂含量偏低等实际问题。制备的氮掺杂多孔碳由于杂原子氮的尺寸、键长和价电子等与 C 原子不同，使相邻 C 原子附近位点出现缺陷，可以有效调控多孔碳材料的表面性质，增强材料吸附位点及电化学活性。

本发明以生物质或生物质废弃物为原料，生物质原料优选棉花、苹果、芹菜。 由于材料固有结构的特点，苹果碳孔径成碗状，棉花碳孔径成分级多孔结构，芹菜碳孔径则呈现柱状结构。所制的多孔碳材料具有微孔、介孔、大孔混合分布的三维互通分级孔结构，具备sp²杂化碳骨架、离域π键，多孔碳保留有生物质原固有结构特性，生物质原内部孔道未被破坏；多孔碳中氮原子掺杂在碳骨架中，氮原子额外的孤对电子为sp²杂化碳骨架、离域π键提供负电荷，增强电子传输速率和催化活性；氮掺杂含量在2%-40%。本发明可以为研究材料性能与材料本质特征建立有效联系，进而对研究氮掺杂多孔碳材料的吸附活性位点，催化活性位点，及影响其电化学性能的关键因素等提供了有利保障。

本发明利用尿素分解释放的二氧化碳造孔和提高比表面积及提供碱性位点；通过控制尿素溶液的浓度调控多孔碳中的氮含量，通过冷冻干燥过程将尿素带入并残留在多孔碳孔隙结构中。这样可调控材料孔径结构及氮含量进而调控材料的吸附性能及电化学性能，制备出高性能的碳基功能材料。这种方法对理解多孔碳材料的吸附及储锂机制，研发高性能的吸附材料及电极材料具有重要的指导意义。