[发明专利]一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料，该多孔碳材料的结构中包含氮掺杂的多孔石墨化碳，以及含钨物质；其中，所述含钨物质杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中；所述含钨物质为WC、W₂C/W或WC/W₂C/W。该多孔碳材料所含有的含钨物质具有特定的组成，且比表面积高。本发明还公开了该多孔碳材料的制备方法。

技术领域

本发明涉及碳材料的改性技术领域。更具体地，涉及一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法。

背景技术

碳材料具有良好的导电性、结构的可调节性以及优异的物理化学性能，故碳材料可以在电催化、储能及生物医药方面有广泛的应用。多孔结构使碳基材料具有更好的电解质渗透性，为反应物质提供了一个有效的固-液-气三相区，大大缩短了物质和电子传递途径，有利于催化反应的进行。根据孔径大小，孔可分为微孔(孔径2nm)、介孔(2nm孔径50nm)和大孔(孔径50nm)三类。微孔具有较高的比表面积(Carbon 2017,115,515)，增加了反应位点的数量，而大孔有利于传质，为反应位点提供反应物。这些属性使得多尺度孔隙尺寸的分级多孔结构特别有趣。碳材料具有多种存在形式，如石墨烯、石墨炔、碳纳米管、碳纤维等，但是，在众多的不同类型的碳源材料中，生物质碳材料具有价格低廉、储量丰富和易于获得等优点，因此发展生物质碳材料具有重要意义。

多孔碳材料虽然在电催化析氢和新能源电池的方面有很大的应用优势，但是碳材料的表面没有极性，能够提供催化反应的活性位点数量较少。为了扩大多孔碳材料的应用领域及提升多孔碳材料在不同领域中的性能，我们对多孔碳材料进行了进一步的改性。

多孔碳材料的改性方法有很多种，比如，采用杂原子的掺杂和过渡金属化合物的杂化。Dai团队构建了一种三维的N、P共掺杂的介孔碳泡沫(NPMC)(Nat.Nanotechnol.2015,10,444)，这种介孔碳泡沫具有～1663m² g^-1的比表面积，它在OER和ORR过程中具有良好的电催化性能，达到了商业催化剂RuO₂和Pt的催化水平。Geng团队以生物质葡萄糖为碳源，偏钒酸铵为钒源，通过一步法合成了一种VN杂化的、N掺杂的多孔碳材料(Small 2020,16,2004950)，将这种复合材料作为锂硫电池的正极载体材料时，在0.1C下放电容量可以达到1442mAh g^-1；在2C下循环1700圈之后的容量为470mAh g^-1。上述制备功能化多孔碳材料的方法，或受限于传统溶剂热、氨气氨化等方法的苛刻条件，或受限于有限的对碳材料进行杂化的物质种类，限制了多孔碳材料性能的进一步提升。本发明专利提出一步法制备杂化有含钨物质、氮掺杂的多孔碳材料，在不改变原料种类的情况下，仅通过调控热处理参数和原料配比就可以获得不同含钨物质杂化的、氮掺杂的多孔碳材料。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料。

本发明的另一个目的在于提供一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料的制备方法。通过该制备方法，可制备得到杂化物质为WC、W₂C/W或WC/W₂C/W中的一种的氮掺杂的多孔石墨化碳。

为达到上述第一个目的，本发明采用下述技术方案：

一种含钨物质杂化和氮掺杂的多孔碳材料，该多孔碳材料的结构中包含氮掺杂的多孔石墨化碳，以及含钨物质；

其中，所述含钨物质杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中；

所述含钨物质为WC、W₂C/W或WC/W₂C/W。

上述W₂C/W是指W₂C与W的混合物；WC/W₂C/W是指W₂C、WC与W的混合物。