[发明专利]一种高磷-氮共掺杂三维多孔碳块及其制备方法和应用

权利要求书

1.一种高磷-氮共掺杂三维多孔碳块，其特征在于，所述碳块具有三维相互连通的大孔开孔结构，结构中分布有少量介孔和微孔，BET比表面积为12.7~30 m² g^-1；所述碳块含有碳元素50~85 at%、磷元素2~20 at%、氮元素2~20 at%和氧元素5~40 at%；

所述的高磷-氮共掺杂三维多孔碳块的方法，包括如下步骤：

（1）将聚丙烯腈粉末和开孔剂充分溶解在二甲基亚砜中，蒸除部分溶剂，并经裁减、热压成块和冲裁后通过超临界二氧化碳发泡获得聚丙烯腈基泡沫；

（2）配制盐酸羟胺水溶液调节溶液pH至中性，将步骤（1）所得聚丙烯腈基泡沫浸入上述溶液中，搅拌反应后洗涤并烘干；

（3）将步骤（2）的产物浸入磷源溶液中，搅拌反应后洗涤并烘干；

（4）将步骤（3）的产物进行稳定化和碳化处理，得到高磷-氮共掺杂三维多孔碳块。

2.一种制备权利要求1所述的高磷-氮共掺杂三维多孔碳块的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）将聚丙烯腈粉末和开孔剂充分溶解在二甲基亚砜中，蒸除部分溶剂，并经裁减、热压成块和冲裁后通过超临界二氧化碳发泡获得聚丙烯腈基泡沫；

（2）配制盐酸羟胺水溶液调节溶液pH至中性，将步骤（1）所得聚丙烯腈基泡沫浸入上述溶液中，搅拌反应后洗涤并烘干；

（3）将步骤（2）的产物浸入磷源溶液中，搅拌反应后洗涤并烘干；

（4）将步骤（3）的产物进行稳定化和碳化处理，得到高磷-氮共掺杂三维多孔碳块。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述开孔剂为聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述聚丙烯腈粉末和开孔剂的质量比为5:1~3:1。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述聚丙烯腈粉末和开孔剂的总量与溶剂二甲基亚砜的质量比为1:12~1:6。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述热压条件为：140~160 ℃、10~20 Mpa下热压10~20 min。

7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（1）中所述超临界二氧化碳发泡条件为：在高压釜内，通入CO₂后升温至100~150℃，并加压至10 ~50 Mpa，保持1~5 h后迅速卸压。

8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中所述反应条件为：80~100 ℃下搅拌反应1~5 h。

9.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（2）中所述盐酸羟胺水溶液的浓度为10~40 g/L。

10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述磷源溶液的浓度为20~85wt%，所述磷源为磷酸、聚磷酸、植酸中的一种。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，步骤（3）所述磷源为磷酸。

12.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（3）中所述反应条件为：80~100 ℃下搅拌反应1~5 h。

13.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述稳定化处理包括：以升温速率1~3 °C/min升温至稳定化温度230~280 °C，保持2~8 h。

14.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，所述碳化处理包括：以升温速率1~3 °C/min升温至碳化温度500~1000 °C，保持1~5 h。