[发明专利]杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料及其制备方法

说明书

本发明涉及一种杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料及其制备方法，其中所述制备方法包括：S1.将不同比例的有机小分子碱金属盐及有机小分子碱土金属盐在惰性气氛中热解处理；S2.热解处理后的碱金属盐及碱土金属盐经过酸洗、水洗和干燥处理得到孔径可控的二维碳材料；S3.将所述二维碳材料与含杂原子化合物在所述惰性气氛中共热掺杂，得到杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料。本发明的制备工艺简单，制备得到杂原子掺杂的孔径可控二维碳材料，与商品化Pt/C催化剂的氧还原催化活性相当。

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域，尤其涉及一种杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料及其制备方法。

背景技术

多孔碳材料以高的导电性、导热性、优异的耐腐蚀性以及孔结构可调性被广泛应用在能源、催化等领域。其中，孔结构可调性对于催化反应有着重要的作用，包括活性位点暴露以及反应物的输送过程，因此实现孔结构的相对可控合成有着重要的意义。通常制备孔结构可控的多孔碳材料主要是以外加模板剂以及活化剂来实现孔结构的调节，进而制备不同孔结构的多孔碳材料。该制备工艺较复杂，同时在某些模板剂的去除过程会涉及危险化学品的使用，对实验操作人员健康，实验设备及环境造成一定的影响。同时，孔径可控的多孔碳材料作为催化剂的载体，通常其本身的催化活性并不高。这就需要对多孔碳材料进行后处理，例如杂原子掺杂或者纳米粒子复合等，这些是催化剂活性提高的重要手段。其中，非金属掺杂的碳材料作为ORR催化剂，应用于燃料电池的正极材料，具有高度的稳定性和良好的导电性能近年来受到人们的广泛关注[Gong K,Du F,Xia Z,et al.Nitrogen-doped carbon nanotube arrays with high electrocatalytic activity for oxygenreduction[J].Science,2009,323(5915):760-764]。

因此，现有制备不同孔结构的碳材料主要通过不同的模板剂及苛刻的后处理条件，例如采用介孔SiO₂，MgO等作为模板剂，采用HF刻蚀除去模板，但是该方法存在工艺复杂、环境污染等问题。而传统的杂原子掺杂多孔碳材料的制备方法主要有碳化含杂原子生物质、碳化生物质与含杂原子化合物的混合物、碳材料和含杂原子化合物的混合物在高温条件下共热。这些方法通常是在制备过程中利用碳材料的形成过程，但其孔结构相对不可控，往往伴随着自发形成的孔结构或者由模板剂、刻蚀剂诱导产生不同的孔结构。不同孔径的多孔结构对于催化剂的催化活性起着重要的作用，探究掺杂活性与孔结构之间的关系对于催化剂活性改善和提高有着重要的指导意义。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料及其制备方法，制备工艺简单，制备的杂原子掺杂二维碳材料的孔径可控，与商品化Pt/C催化剂的氧还原催化活性相当。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

第一方面，本发明提供一种杂原子掺杂二维碳材料制备方法，包括：

S1.将不同比例的有机小分子碱金属盐及碱土金属盐在惰性气氛中热解处理；

S2.热解处理后的碱金属盐及碱土金属盐经过酸洗、水洗和干燥处理得到孔径可控的二维碳材料；

S3.将所述二维碳材料与含杂原子化合物在所述惰性气氛中共热掺杂，得到杂原子掺杂孔径可控的二维碳材料。

根据本发明的一个方面，所述碱金属盐和所述碱土金属盐为柠檬酸盐或葡萄糖酸盐。

根据本发明的一个方面，所述碱金属盐为有机小分子钾盐，所述二维碳材料的结构以微孔为主。

根据本发明的一个方面，所述碱土金属盐为有机小分子钙盐或有机小分子镁盐，所述二维碳材料的结构以介孔为主。

根据本发明的一个方面，所述碱金属盐为有机小分子钠盐，所述二维碳材料的结构以大介孔和大孔为主。