[发明专利]一种利用含氟高分子制备氮掺杂碳材料的方法

说明书

本发明涉及一种利用含氟高分子制备氮掺杂碳材料的方法，将含氟高分子前躯体材料放置在氨气气氛中，在360℃～1200℃下煅烧，得到所述氮掺杂碳材料；所述含氟高分子前躯体材料为相对分子质量在1000～1000万之间的部分氢被氟取代的聚合物。这就使得氮掺杂碳材料可以在较低温度下就可以得到，并且由于氟氮物种的等电子交换能够极大促进氮元素的掺杂，使得通过该方法得到的氮掺杂碳材料中的氮含量可达10%以上，并且可以通过调控反应温度实现导电碳毡上氮含量和类型的可控掺杂。

技术领域

本发明涉及一种利用含氟高分子制备氮掺杂碳材料的方法，具体地涉及一种利用含氟高分子在氨气氛围下高温下碳化分解时氟元素脱出促进氮元素掺杂的新机制并形成多孔结构从而获得高氮掺杂量并具有丰富孔结构的碳材料，属于材料制备领域。

背景技术

氮掺杂碳材料及其复合材料是用途广泛，备受关注的功能材料，是学术界和工业界的热点研究材料。但是目前其研究仍然存在诸多瓶颈无法突破：如氮掺杂碳材料中氮的类型对于其功能化存在很大影响但是如何可控合成仍是难题；又如目前已有的方法由于前躯体材料或者制备方法的限制大多只能在实验室少量制备氮掺杂碳材料而无法实现工业大规模宏量制备；还有如何实现具有高比表面积及有序孔道结构的氮掺杂碳材料仍然存在较大困难；在制备复合材料时如何实现金属碳/氮/氟/氧化物在氮掺杂碳上的均匀负载仍然困难。

富氮前驱体的直接热解是一种简单常用的制备氮掺杂碳材料的方法，能够实现较为均匀的氮掺杂。一般地，该方法在较高的温度(＞900℃)才能实现碳材料的石墨化，从而实现材料的高导电性，但是由于氮掺杂碳材料在高于750℃时容易失去其中的氮，从而使得该方法得到的一般氮掺杂碳材料氮含量较难超过7％，且很难控制得到所需的氮掺杂类型。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供了一种高氮含量掺杂的碳材料(氮掺杂碳材料)、氮掺杂碳材料负载的导电碳毡及其制备方法和应用。

第一方面，本发明提供了一种利用含氟高分子制备氮掺杂碳材料的方法，将含氟高分子前躯体材料放置在氨气气氛中，在360℃～1200℃下煅烧，得到所述氮掺杂碳材料；所述含氟高分子前躯体材料为相对分子质量在1000～1000万之间的部分氢被氟取代的聚合物。

本发明中，首次使用含氟高分子材料制备氮掺杂碳材料，具体而言，使用含氟高分子前躯体材料(部分氢被氟取代的聚合物)(分子量1000至1000万)在通有氨气(1mL/min-10000mL/min)的管式炉中进行高温碳化(360-1200℃)，可以得到具有多孔结构的氮掺杂碳材料。这就使得氮掺杂碳材料可以在较低温度下就可以得到，并且由于氟氮物种的等电子交换能够极大促进氮元素的掺杂，使得通过该方法得到的氮掺杂碳材料中的氮含量可达10％以上，并且可以通过调控反应温度实现氮含量和类型的可控掺杂。

较佳的，在煅烧之前，还加入模板剂，所述模板剂选自介孔二氧化硅、分子筛、氧化镁中的至少一种；所述模板剂和含氟高分子前躯体材料的质量比为(0.1～5)：1；且在煅烧之后，采用刻蚀剂去除模板剂。优选，通过预先将含氟高分子材料与一些模板剂(如介孔二氧化硅，分子筛，氧化镁等)进行混合再在一定温度下的氨气气氛中高温氮化，得到的产物再用酸洗除去模板剂可以得到具有有序孔结构的氮掺杂碳材料。

较佳的，所述含氟高分子前躯体材料选自聚偏氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)、聚氟乙烯(PVF)、聚全氟烷氧基(PFA)树脂、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、乙烯一三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)和乙烯一四氟乙烯(ETFE)共聚物中的至少一种，优选为聚偏二氟乙烯PVDF。

较佳的，所述氨气气氛为氨气、或含有氨气的混合气体；

在选用开放容器进行煅烧时，所述氨气气氛的气体流量为1～10000mL/分钟，优选为300mL/分钟；

在选用时密闭容器进行煅烧时，所述氨气气氛的压力为0.1～100MPa。