[发明专利]一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用。所述制备掺氮多孔碳的方法包括以下步骤：S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。该方法的原材料容易获得、无毒无害、成本低；其次不需模板剂，且活化剂氯化钙无腐蚀性；此外制备流程简单、设备要求低、过程环保，适合大规模的推广应用。以绿豆粉为原料通过简单的热解法制备得到掺氮多孔碳具有较大的比表面积和大量的孔隙结构，性能优良。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用。

背景技术

碳基材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面具有优异的性能，在力学、能源、电子器件、催化等相关领域也受到广泛的关注。

其中，多孔材料是指具有一定孔隙结构的碳材料，根据化学联合会(IUPAC)的分类，将多孔材料分为三类：孔径小于2nm的微孔材料、孔径大于50nm的大孔材料和介于2～50nm的介孔材料。多孔材料具有高比表面积、高热导率、高电导率、高稳定性、高化学惰性和低密度等优点，在超级电容器、催化载体、有机生物分子吸附载体等领域有广阔的应用前景。

研究发现，若在碳材料中适当地掺杂其他元素，可以改变碳材料的晶体结构和电子结构，从而使其物理、化学性质优于普通碳材料。杂原子掺杂可以提升碳材料性能，扩大其在能量储存、转换装置中的应用潜力。掺氮介孔碳材料在碱液中表现出显著的催化氧还原反应活性和高的超级电容器比电容[梁群英,苏红,闫晶,等.催化学报,2014,35(7):1078-1083.]。

虽然氮掺杂的碳材料由于其优异的性能越来越受到研究者的关注，然而传统氮掺杂材料一般以昂贵的有机化合物为原料，以复杂的有机合成为基础，在苛刻的反应条件下经过高温碳化制备，虽然也能取得较好的效果，但步骤较为复杂，因此很难进行商业化生产[周田宝.西北师范大学,2014.]。

随着绿色化学和可持续发展理念的深入，如何用廉价的原料通过简单绿色方法合成新型氮掺杂碳材料已成为研究的热点。生物质前驱体来源广泛、环境友好，其蕴藏量和产量巨大，将生物质高效转换为生物质基碳材料，具有广阔的开发利用前景。

生物质碳材料的活化法主要分为三种，分别是物理活化法、化学活化法和物理化学共活化。物理活化法采用水蒸气或二氧化碳氛围加热处理，优点在于条件温和，设备要求低，活化后无副产物，对环境无污染，缺点在于活化温度高，时间长，能耗高；化学活化法，通过浸渍渗透的方式对碳材料进行活化，优点在于活化温度低、时间短、低能耗、制备的碳材料比表面积和孔容较大，缺点在于活化剂用量大、腐蚀设备、污染环境，及材料中有未除去的活化剂。物理化学共活化包含一步化学活化(通常使用H₃PO₄和ZnCl₂)和一步物理活化(通常使用CO₂)过程，但并没有明显改善物理活化法和化学活化法的一些固有缺点。

因此，急需开发一种活化温度低、时间短、低能耗、环境友好、腐蚀性低并且操作简便的生物质掺氮多孔碳的制备技术。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明公开了一种掺氮多孔碳，具体的方案如下：

一种掺氮多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；

S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；

S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。