[发明专利]3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料及其制备方法。将含邻二羟基的二胺单体溶解于极性非质子性溶剂与二酐单体聚合，得到含羟基的聚酰胺酸溶液，将溶液放入不锈钢高压反应釜中，热处理后，自然冷却至室温，抽滤、洗涤、干燥，得到3D含羟基聚酰亚胺，将3D含羟基聚酰亚胺进行分段热处理，自然降温后制备出3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料。本发明具有丰富的微孔结构、较高的比表面积和含氮量，具有立体多级结构，可通过多种活化手段进一步提高比表面积，形成多级孔结构，可进一步功能化，结构设计灵活，热稳定性强，制备过程简单，易于实现，适用性广。

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料，尤其是碳纳米材料一直是人们研究的热点，巴基球、碳纳米管、石墨烯等新型碳材料的问世加速了对碳材料的深入研究。碳材料以其独特的物理化学性质，在电化学、储能、吸附、催化等领域都得到了广泛的应用。多孔碳材料是一种多孔的碳基物质，具有封闭或贯通的孔道结构。发达的孔隙使碳材料具有高的比表面积和孔体积，进一步扩大了其应用领域。但由于纯的碳材料表面亲水性较差，限制了其在各领域应用价值的最大化，而杂原子，如B、N、S等的掺入不仅能改善材料表面的亲水性，还可以改变孔道结构，调节酸碱性。尤其是氮掺杂的碳材料，可改善电子云的分布和传输，使导电性更强；而且，氮掺杂后形成的吡啶N有利于提供孤对电子，提高催化活性。

热致重排聚合物是近年来出现的一种新型刚性微孔聚合物，主要以含羟基聚酰亚胺为前驱体，经350-450℃的热处理，使其在固体状态下发生结构重排，得到聚苯并恶唑结构，同时由于重排反应伴随着小分子CO₂的放出，使热致重排聚合物内部形成了丰富的微孔结构。因此，热致重排聚合物已经吸引了各国科研人员的广泛关注，得到了较为深入的研究，其膜材料有望成为新一代气体分离膜材料。此外，研究人员发现，以聚酰胺酸为前驱体，利用溶剂热法可以制备出具有三维超级结构的聚酰亚胺材料，其相应的碳材料，尤其是活化后的碳材料表现出优异的电化学性能，可以用作电极材料。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料及其制备方法。该材料结构设计灵活，工艺条件可控，含氮量高，微孔结构丰富，表面活性点多。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料直径为1～10μm，由2～50nm的片层结构经自组装堆叠而成，比表面积为500～2000m²/g。

3D热致重排聚合物基多孔氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：

1)制备聚酰胺酸溶液；

将含羟基的二胺单体先溶解于极性非质子性溶剂中，然后加入等摩尔量的二酐单体，在0～10℃反应6～24小时，得到浓度为15～100mg/ml的含羟基聚酰胺酸溶液。

所述二胺单体为均苯四甲酸二酐、3，3’，4，4’-联苯四甲酸二酐、3，3’，4，4’-二苯酮四甲酸二酐、1，2，3，4-环丁烷四甲酸二酐、1，2，4，5-环己烷四酸二酐，双环[2，2，2]辛-7-烯-2，3，5，6-四羧酸二酐、1，4，5，8-萘四甲酸二酐、2，3，6，7-萘四甲酸二酐和3，4，9，10-苝四甲酸二酐中的一种或几种。

所述二胺单体为2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)六氟丙烷、2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)丙烷、2，2-双(3-氨基-4-羟基苯基)砜、2，2-双(3-氨基-4-羟基环己烷基)六氟丙烷，2，2-双(3-氨基-4-羟基环己烷基)丙烷、3，3’-二羟基联苯胺、3，3’-二氨基-4，4’-二羟基联苯中的一种或几种。

所述极性非质子性溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、N，N-二甲基乙酰胺、N-甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜、间甲酚中的一种或几种。