[发明专利]一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法

说明书

本发明涉及碳基复合材料，尤其涉及一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法。所述方法包括以下步骤：以有机材料作为原料，配制浸渍液，浸渍液中溶解有过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂，将有机材料置于浸渍液中进行吸附浸渍，随后取出置于保护气氛中进行二段式升温煅烧即可得到掺杂多孔碳基复合材料。本发明方法简单易行，具有广泛的普适性；原料、设备成本低，能耗较小，有利于产业化的制备和生产；制备过程中极少产生甚至不产生废气、废液污染，更加绿色环保；可根据复合材料所需性能灵活选用原料，具有较高的灵活性。

技术领域

本发明涉及碳基复合材料，尤其涉及一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法。

背景技术

多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定性高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在多相催化、吸附分离科学和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。特别是多孔碳载体与活性金属组分构筑的复合材料在电催化领域得到高度关注，多孔碳载体不仅为金属组分的锚定提供位点，而且丰富的孔道有助于传质过程，促进催化反应。

多孔碳材料的制备方法有很多种，如高分子聚合物热解法、模板法（硬模板法和软模板法）以及活化法（化学活化法、物理活化法和物理化学活化法）等。其中，高分子聚合物热解法往往得到具有无序微孔结构的碳材料，大量的微孔结构对于催化过程的传质是非常不利的。模板法虽然具有良好的结构可控性，特别是双模板法的使用有利于构筑有序介孔结构，但是材料的制备过程复杂，往往需要繁琐的后处理（强酸、强碱、高温）以移除模板剂，整个过程极其不经济、环保。

迄今为止，以活化法合成多孔碳材料的研究最为广泛，特别是物理化学活化法。通常将含碳原料与活化剂混合后，在高温下与活化剂分解产生的气体小分子接触反应，最终刻蚀形成多孔结构。例如，Yong Wang等人采用面包发酵法（Green Chem., 2015, 17,4053-4060），以碳酸氢钾为活化剂，将木糖、甲壳素等多糖分子、甚至原始生物质如竹子经过煅烧直接合成多孔碳材料。该策略极大地降低了生产成本，简化操作过程。

此外，研究发现多孔碳材料中掺杂N原子等异质原子后，可以极大地调变多孔碳材料的表面酸碱性、亲水性及其与金属颗粒的相互作用。Yong Wang 等在另外一篇工作（Green Chem.，2016，18，6082-6090）中以纤维素作为原料，碳酸氢钠和草酸铵共同作为发泡剂，由于草酸铵在高温下分解出大量含氮气体，与碳载体反应成功掺入氮原子。构筑的氮掺杂多级孔结构极大地稳定和分散钌颗粒。同时，由于N原子的供电子能力，有利于Ruⁿ⁺到Ru⁰的还原，为催化反应提供更多的活性位。NH₃作为一种常用的还原剂不仅为高活性金属组分的形成提供条件，同时作为活化剂引入丰富的孔道结构。例如，Ji等人在NH₃氛围下煅烧纤维素膜（Nano Lett.，2014，14，2225-2229），得到比表面积高达1973.3 m² g^-1的N掺杂多孔碳。该方法虽然可以获得高比表面积的碳材料，但使用强腐蚀性、刺激性的气体，对合成设备要求高，无疑增加生产成本。

如中国专利局于2019年6月7日公开的一种制备锂电池负极的碳基复合材料及其制备方法的发明专利申请，申请公开号为CN109860527A，其包括如下步骤：步骤S1中空多孔Cu-Mo-O的制备，步骤S2中空多孔Cu-Mo-O表面改性，步骤S3高温碳化，步骤S4负载。本发明还公开了根据所述制备方法得到的锂电池负极的碳基复合材料。在该发明专利的技术方案中，其采用的制备原料成本较高，并且制备工艺较为复杂，存在一定的污染性。

为了更好的在实际中应用掺杂多孔碳基复合材料，提供一种工艺简单、绿色环保且生产成本较低的合成掺杂多孔碳基复合材料的策略非常具有科研和实际产业化的前景。