[发明专利]一种利用蟑螂制备含氮多孔碳材料的方法及其应用

说明书

本发明公开了一种利用蟑螂制备含氮多孔碳材料的方法及其应用，是先将蟑螂预碳化，然后再与氢氧化钾混合研磨，接着加入纯水研磨成糊状，将糊状物烘干脱水后碳化，再清洗干燥即得含氮多孔碳材料。所述含氮多孔碳材料在超级电容器电极的储能领域以及污染物的吸附领域的应用。本发明具有多孔碳制备成本低，电化学性能优异，孔密度高，比表面积大的特点。

技术领域

本发明涉及一种制备含氮多孔碳材料的方法及其应用，特别是一种利用蟑螂制备含氮多孔碳材料的方法及其应用。

背景技术

多孔碳材料由于其成本低、导电率高、化学稳定性好和循环寿命长，并且能为电化学反应提供了大的活性位点，为离子传输提供了短的扩散路径，因此是高性能电极材料的最佳选择。在各种多孔碳材料中，生物质衍生的多孔碳由于其巨大的可用性、快速的再生和环保性等优点，使其逐渐广泛应用于储能器件的电极材料。具有高比表面积的多孔碳通常由不同的天然或合成富碳前驱体通过化学/物理活化及随后在惰性气氛中碳化制备而成。

目前，将N,O,P,S或B等杂原子引入碳基体(a)K.Y.Park,et al.,Journal ofPhysical Chemistry C,2012,116,16848–16853.(b)Y.A.Huang,F.Yang,Z.Xu andJ.Shen,Journal of Colloid&Interface Science,2011,363,193-198.)被认为是提高其电化学活性、催化行为和吸附性能的有效策略。在这些不同的杂原子掺杂碳中，N掺杂碳具有优良的导电性、氧化稳定性和吸附润湿性，引起了人们的广泛关注。N的孤对电子能显著地调节碳材料的电子供体-受体特性，且与碳的石墨π键的结合扭曲了碳结构，产生了更多的缺陷和可用的活性位点，从而提高了锂离子电池和超级电容器的电化学性能。氮掺杂多孔碳以前是通过将碳与昂贵且有毒的含氮化合物(如尿素、氨和丙烯腈)后处理掺氮(K.Gong,F.Du,Z.Xia,M.Durstock and L.Dai,Science,2009,323,760-764.)，或直接碳化生物质前驱体或含氮化合物(如聚吡咯)制备得到氮掺杂多孔碳材料(Fiset E,RuffordTE,Carbon,2015,81:239-250.)。可再生生物质具有低成本效益、简单合成工艺以及C和N的自然利用率高，在很大程度上有助于低价高效合成工业所需的碳材料。

在以往的研究中用植物或者动物驱体作为前驱体，通过碳化与活化制备含O,N,S,P等杂原子的多孔碳材料。例如，以烟草茎(Kleszyk P,Ratajczak P,et al.,Carbon,2015,81:148-157.)、麦秸(Chen L,Zhang Y,Lin C,et al.,Journal Of Materials ChemistryA,2014；2(25):9684-9690.)、樱桃核(Caballero A,Hernan L,Morales J,Chemsuschem.2011；4(5):658-663.)、稻壳(Wang L,Schnepp Z,Titirici MM,Journal OfMaterials Chemistry A.2013；1(17):5269-73.)和椰子壳(Jain A,Xu C,Jayaraman S,Balasubramanian R,Lee JY,Srinivasan MP,Microporous And Mesoporous Materials,2015,218:55-61.)等多种生物质为前驱体制备氮掺杂多孔碳材料。Yong-Qing Zhao(Journal of Power Sources,2016,307,391-400.)等人用KOH对烟草叶进行活化，得到氮掺杂多孔碳材料，并应用于锂离子电池和超级电容器的电极材料。此方法具有原材料来源广泛、绿色、经济实惠、制备过程简单等优点，说明具有绝对的可行性。