[发明专利]二步法制备氮掺杂多孔碳材料的方法及其用途

说明书

技术领域

本发明属于储氢材料和新能源材料领域，提供了一类二步法制备氮掺杂多孔碳材料的方法及其在储氢材料和超级电容器电极材料的应用。 

背景技术

多孔碳质材料由于其低密度、高的比表面积、良好的化学稳定性、良好的导电性、孔结构可以调控以及不苛刻的应用条件等优点得到了众多关注，成为储氢材料和超级电容器电极材料研究的重要对象之一。 

在储氢材料领域，因为多孔材料的存储利用的是氢气分子的物理吸附，因此这种多孔材料可以实现小体积的大质量存储。从理论上来说，碳材料的比表面积越高，相应的储氢量也应该越大。研究表明，对于理想的多孔碳材料，为获得较大的吸氢量，一方面需要较高的比表面积以提供较多的吸附位置，另外还需要较大比例的微孔体积来提高有效吸附位置的比例[Y Gogotsi et al，Adv.Funct.Mater.，2006，16，2288.]。最近，利用模板法制备多孔碳或碳氮材料得到了人们的普遍关注，但是单独采用一步法合成出的多孔材料在含有一定量微孔的同时，同样存在着大量的比较大的介孔。 

在超级电容器领域，电极材料是超级电容器的核心组成部分，其组成、结构和性质对电容器的性能起着决定性的影响。研究表明，合理的孔径分布以及孔径与电解液离子的良好匹配，加上较高的比表面积，能够得到较高的电容值。合理的孔径分布是为了有利于电解液离子的输运，孔径与电解液离子的良好匹配是为了获得较好的双电层吸附，而较高的比表面积是获得较高电容值的前提。此外，对多孔碳材料进行杂质原子掺杂，可以获得一定量的赝电容，进一步提高多孔碳材料的电容值。 

为了进一步提高碳基多孔材料的性能，通过二步法能够制备出含有大量微孔的多孔材料，非常适合于储氢材料。同时该材料中含有的微孔有利于电荷的积累，而比较小介孔(2nm左右)有利于离子的输运，因此有利于提高材料的电容件能。 

发明内容

本发明的目的是为了得到高比表面积、同时具有高储氢量、高电容值的氮掺杂多孔碳材料，提供一种二步法制备氮掺杂多孔碳材料的方法，该氮掺杂多孔碳材料比表面积高、孔体积大、孔径大小可调变且分布较窄、微孔体积明显提高，其作为储氢材料具有很好的低温储氢性能，作为超级电容器电极材料具有良好的电化学电容性能，且整个制备工艺简单可控、条件温和，成本相对低廉。 

本发明解决技术问题所采取的技术方案是：首先采用微孔分子筛为模板，采用液相浸渍和化学沉积二步方法制备而成。将干燥的微孔分子筛浸入到含有蔗糖、糠醇、聚丙烯腈等碳或碳氮前驱物的溶液中，直到碳前驱物充分浸入到模板的孔道中；将得到的复合物置于管式炉中，在碳化的同时通过气相沉积将丙烯、乙腈、苯乙烯、甲苯等前驱物沉积在未充填的孔道中；将碳化后得到的碳氮/分子筛复合物加入到氢氟酸溶液和盐酸溶液中，反复洗涤多次，然后经过滤分离、洗涤、干燥得到去除模板后的氮掺杂多孔碳材料。 

本发明的作为储氢材料的性能评价，采用重量法测量氢气在氮掺杂多孔碳材料上的吸附量。测试前先将样品在真空、高温条件下预处理，去除吸附的气体和残留的水分。待温度降至室温以后，充入不同压力的氦气气体进行浮力测试，以此得到样品的体积。再通过液氮将吸附系统降至所需温度，通入氢气气体进行变压吸附测试。最后，通过综合系统重量变化和浮力测试的结果来得到某一压力下氢气的吸附量。在1bar条件下，本重量测试系统与体积法(BET方法)给出的结果相吻合，说明本重量法测试系统给出的结果准确性高。 

本发明的超级电容器电极性能的评价，以本领域众所周知的方法进行，将氮掺杂多孔材料压成电极片，采用循环伏安的方法进行测试。 

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在： 

(1)本发明前期选用有序微孔分子筛为模板、采用二步法制备氮掺杂多孔碳，使得氮掺杂多孔碳材料具有开放的孔道结构和大量的微孔，保持了分子筛的微孔吸附特性，这有利于氢气的吸附，是取得优异储氢性能的前提。 

(2)本发明前期选用有序微孔分子筛为模板、采用二步法制备氮掺杂多孔碳，使得氮掺杂多孔碳材料具有开放的孔道结构和大量的微孔，同时还含有比较小的介孔，这有利于电荷的积累和电解液的传输，是取得优异电化学性能的前提。 

(3)本发明方法获得的储氢材料其低温储氢量明显增加，并且具有非常好的可逆吸附性能。 

(3)本发明采用的前驱物中含有氮原子，氮原子的引入有利于提高其电容性能，使得电极材料其比电容量明显增加，并且其稳定性得到较好的保持。