[发明专利]一种杂原子掺杂碳材料及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种杂原子掺杂碳材料及其制备方法及其在催化氧气还原反应领域的应用。该杂原子掺杂碳材料的制备方法是：依次将只含有卤素的有机高分子、含有杂原子的有机物和碳化钙分散在强极性溶剂中，于160-200℃环境进行预混和碳化。再将得到的固体产物，在惰性气氛下于700-900℃进行高温焙烧，得到杂原子掺杂碳材料，所掺杂的杂原子为N、S、B或P。该方法原材料便宜易得，操作简单。制备的杂原子掺杂碳材料具有较高的石墨化程度，且具有高导电性高和高活性催化中心等特性。修饰有该碳材料的电极可以高效地催化氧气还原反应。同时，其在超级电容器材料、锂电池等能量存储领域也存在潜在的应用。

主权项

一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，具体步骤如下：A.将只含有卤素的有机高分子溶解到强极性溶剂中，使只含有卤素的有机高分子的浓度为0.0125‑0.15g/mL，搅拌或超声使其均匀分散，之后加入含有杂原子的有机物，其摩尔量与含有卤素的有机高分子链段摩尔量之比为1:20‑1:4之间，搅拌或超声使其分散均匀，再加入与含有卤素的有机高分子链段摩尔量摩尔数之比在1:4‑4:1之间的碳化钙粉末，超声或搅拌使之形成均匀的悬浊液，将此悬浊液放入聚四氟乙烯水热反应釜中，于160‑200℃反应12‑36小时，反应结束后，自然冷却到室温，取出反应产物，清洗2‑3次，60‑100℃干燥，得到初步碳化产物；所述的只含有卤素的有机高分子为聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯或聚偏二氯乙烯，所述的强极性溶剂为氮氮二甲基甲酰胺、氮氮二甲基乙酰胺、二甲基亚砜或氮甲基吡咯烷酮中的一种；所述的含有杂原子的有机物是：三聚氰胺、乙二胺、硫脲、硫代乙酰胺、硼酸或硼烷氨中的一种或多种；其中的氮、硫、磷或硼元素被掺杂到碳中；所述的碳化钙粉末的粒度小于100微米；B．将步骤A干燥的初步碳化产物在氩气或氮气保护下于700‑900℃温度焙烧1‑3小时，待降至室温，取出，用稀盐酸洗涤，再用去离子水或乙醇清洗3‑4次，60‑100℃烘箱干燥，即得到非金属掺杂碳材料。