[发明专利]一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。所述氮掺杂多孔碳材料具有微孔、介孔和大孔共存的物理结构，其孔径为1nm～5000nm，比表面积为50～5000m²/g，孔容为0.2～5.0cm³/g，氮含量为0.5wt％～15wt％，ID/IG为0.5～1.8，最大比电容为50～500F/g。所述制备方法是以卤化聚烯烃类聚合物为碳源，含氮化合物为氮源，先制备预聚体再经高温碳化制备所述氮掺杂多孔碳材料，得到的氮掺杂多孔碳材料具有超高的比表面积，氮掺杂量高，除无定型碳外还含有石墨结构，石墨化程度高，电容性能优异，可用于超级电容器中。本发明方法步骤简单、操作方便、适合大规模生产，具有工业化生产的前景。

技术领域

本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

多孔碳材料是指以碳作为基本骨架，并具有不同孔隙结构的一类材料。多孔碳材料具有发达的孔隙、高的比表面积、高的化学稳定性、优良的耐热、耐酸碱及独特的电子传导性质，是现代工业中不可缺少的重要材料之一，广泛应用于催化剂载体、催化剂、超级电容、锂离子电池、太阳能电池等领域。根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的规定，多孔材料依照其孔道尺寸的大小可以分为三种：其中小于2nm为的微孔材料，2～50nm为介孔材料，大于50nm为大孔材料，每一种孔道结构均具其特有的性质。

多孔碳材料的常用制备方法有两类。一类是活化法，包括：化学活化、物理活化或物理化学活化联用；碳前躯体的催化活化；可碳化和热解的高分子聚合物混合碳化；高分子气凝胶的碳化；生物质的碳化活化。多孔碳材料的活化法制备通常包括两步：(I)碳化过程——在惰性气氛下对前躯体进行碳化；(II)活化过程——用活化剂对碳化产物进行活化，常用的活化剂有水、二氧化碳、碱、磷酸等等。碳化过程包括对有机前躯体的热降解，脱除非碳原子以及产生具有孔洞结构的碳材料。活化过程是利用活化剂对碳材料的活性部位进行有选择性的处理而得到多孔结构。另一类是模板法，是利用模板来有效控制孔结构，从而制备出结构有序、孔径均一的材料的方法，包括软模板法，硬模板法，双模板法。

其中，活化法是制备多孔碳材料的传统方法，往往得到的是无序多孔碳材料，很难控制其孔道形状和孔径。而模板法的优点是具有良好的结构可控性，但是合成过程复杂繁琐，不适于大规模工业生产。

此外，为了进一步改善多孔碳材料在超级电容、锂离子电池、太阳能电池等方面的应用，通常将N、S、B、P等杂原子掺杂到多孔碳材料的表面或结构中，使多孔碳材料各方面的性能得到改进和提高。由于N在元素周期表中与碳相邻，易掺入碳骨架且来源广泛，目前已经引起了广大研究者的关注。通过条件温和、操作简单的氮掺杂方法制备高比表面积的氮掺杂多孔碳材料是近年来的一个研究热点。

发明内容

本发明提供一种氮掺杂多孔碳材料，所述氮掺杂多孔碳材料具有微孔、介孔和大孔共存的物理结构，其孔径为1nm～5000nm，比表面积为50～5000m²/g，孔容为0.2～5.0cm³/g，氮含量为0.5％～15％，ID/IG为0.5～1.8，最大比电容为50～500F/g。

根据本发明的实施方案，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积可以为500～4000m²/g，优选为800～3500m²/g；示例性地，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积可以为1500m²/g、1600m²/g、2100m²/g、2200m²/g、2400m²/g、2800m²/g；