[发明专利]一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法，包括以下步骤：将2‑甲基咪唑粉末溶于甲醇中，形成溶液A，置于水浴锅中搅拌；将Zn‑HMT粉末溶于甲醇中，形成溶液B；将溶液B缓慢加入到溶液A中，置于水浴锅中搅拌后，将产物离心分离，用乙醇洗涤后，置于烘箱中烘干得ZIF‑8二维纳米片结构；ZIF‑8二维纳米片结构粉末经过氩气保护退火后硝酸酸洗得产物。该方法所制备的氮掺杂多孔碳的二维结构可广泛应用于电化学能量存储，分离与纯化以及药物缓释等领域。

技术领域

本发明涉及微纳米复合材料合成技术领域，具体涉及一种金属有机框架(MOFs)为前驱体，结合氩气退火处理获得氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法及其应用。

背景技术

金属有机结构框架(MOFs)是由过渡金属离子与含氧、氮等不同有机配体通过共价键或者离子-共价键配位自组装而形成的具有周期性的多孔晶体配位聚合物材料，又称为多孔配聚合物(porous coordination polymer，PCP)。MOFs可以通过不同的金属离子与有机配体络合，设计和制造具有不同孔隙结构和不同物理与化学特性的金属有机框架。MOFs具有以下特征：多孔性、高比表面积、具有不饱和金属活性位点、孔道尺寸可设计和孔道表面可功能化等。在催化、能源储存与转化和气体吸附与分离等多个领域中表现出了优良的性能。它作为一种多功能材料，合成MOFs的材料可以使成本较低的原材料具有低的框架密度和高的热稳定性，这些优势使MOFs成为能源材料的候选材料。因此本发明制备的氮掺杂多孔碳的二维结构，结合了多孔碳的大比表面积，提供更多存储钾离子的活性位点，在钾离子的嵌入与脱出过程中对材料的体积膨胀起到有效的缓冲作用；氮掺杂带来了大量的晶体缺陷，贡献更高的比容量。进一步扩展了MOFs材料的应用领域，使MOF材料的大比表面、高孔隙率和可修饰性这些结构特点得到了充分发挥，具有很大的实际利用价值。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法，旨在开发应用于高性能钾离子电池的电极材料。材料制备方法简单，成本低，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)将2-甲基咪唑粉末溶于甲醇中，形成溶液A，置于水浴锅中搅拌；

(2)将Zn-HMT粉末溶于甲醇中，形成溶液B；

(3)将溶液B缓慢加入到溶液A中，置于水浴锅中搅拌后，将产物离心分离，用乙醇洗涤后，置于烘箱中烘干，得到ZIF-8二维结构；

(4)ZIF-8二维结构粉末经过氩气保护退火，得到氮掺杂多孔碳的二维结构(可能含锌)；

(5)将氮掺杂多孔碳的二维材料(可能含锌)置于硝酸溶液中，水浴锅中搅拌反应后将产物离心分离，再用乙醇洗涤干净，置于烘箱中烘干后，得到纯的氮掺杂多孔碳的二维结构。

优选地，步骤(1)中，溶液A中2-甲基咪唑的浓度为0.974mol L^-1，水浴锅中的温度为30℃；

优选地，步骤(2)中，溶液B的浓度为1.828g L^-1。

优选地，步骤(3)中，水浴锅中的温度为30℃，搅拌时间为15min；烘箱的温度为75-85℃。

优选地，步骤(4)中，退火温度为900℃，保温时间为2小时；

优选地，步骤(5)中，硝酸溶液中浓硝酸与水的体积比为1:2。

优选地，步骤(5)中，水浴温度为75-85℃，水浴时间为23-25h。

优选地，步骤(5)中，烘箱的温度为75-85℃。