[发明专利]氮和硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

[0001] 本发明涉及一种氮和硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法。

背景技术

有序介孔炭(OMC)是上世纪90年代兴起的一种新型碳材料，其结构中存在孔径均一的介孔孔道。与传统的多孔碳材料相比，有序介孔碳具有孔径分布窄、孔隙率高、孔径大小可控等优点，在催化剂载体、储氢材料、吸附分离和电极材料等方面具有广泛的应用前景。其高度有序的结构还可以用来合成介孔沸石分子筛和介孔过渡金属氧化物。因此，有序介孔碳材料的制备和应用研究已成为目前孔碳材料研究的前沿和热点。

近期的研究表明，对有序介孔碳材料进行杂原子掺杂（如硼、硫、磷和氮掺杂）可显著改变介孔碳材料的元素构成，操控表面活性，同时改善其电化学性能。目前，国内外对氮掺杂和硫掺杂有序介孔碳的制备和性能研究已有专利和文献报道。但对于氮和硫共掺杂有序介孔碳材料尚无相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种氮和硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法。

本发明是氮和硫共掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其步骤为：

（1）取1.0 mL吡咯，按体积比1：0.6~1：0.1比例加入无水乙醇和浓硫酸，获得吡咯低聚物，作为前躯体；

（2）将上述（1）中前躯体通过初湿浸渍法填充于1.0 g介孔二氧化硅分子筛孔道内，80 ℃下真空干燥，继而160~180 ℃下预碳化4~8小时，获得硫酸/前驱体/介孔二氧化硅复合物；

（3）上述（2）中复合物在惰性气氛保护下中温焙烧，焙烧温度350~400℃，焙烧时间2小时，升温速率1~2 ℃/min，继而高温热解，热解温度650~950 ℃，热解时间2小时，升温速率2~5 ℃/min，冷却至室温，获得氮和硫共掺杂有序介孔碳/介孔二氧化硅复合物；

（4）上述（3）中复合物在30 mL 5%~20% HF酸中浸泡6~24小时，用蒸馏水反复洗涤，直至洗涤水中滴加2 mol/L硫氰酸铁溶液后血红色不褪色为止，于温度80 ℃下真空干燥，获得所述氮和硫共掺杂有序介孔碳材料。

 本发明具有如下优点：

1、以吡咯为碳源和氮源，硫酸为酸催化剂和硫源，吡咯在硫酸催化下形成的低聚物为前驱体。前驱体填充入硅基模板孔道后硫酸无法挥发，经低温焙烧和高温热解，氮和硫共掺杂于碳分子网络，从而获得氮和硫共掺杂有序介孔碳材料。所制备氮和硫共掺杂有序介孔碳材料具有优异的物理和化学活性，同时具有制备方法简单，掺杂量高，比表面积大，介孔率高等优点。

2、所制备氮和硫共掺杂有序介孔碳掺杂量高，且通过调整热解温度，在一定范围内可对其氮和硫掺杂量进行调控。

附图说明

图1是本发明实施例1所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的小角X射线散射图谱，显示为二维六方的有序介孔结构；

图2是本发明实施例1所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的N₂吸脱附等温线，显示为介孔结构，BET比表面积1021 m²/g；

图3是本发明实施例1所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的孔结构分布图，显示为均一的介孔结构，孔径中心集中于3.48 nm；

图4是本发明实施例4所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的小角X射线散射图谱，显示为三维立方的有序介孔结构；

图5是本发明实施例4所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的N₂吸脱附等温线，显示为介孔结构，BET比表面积880 m²/g；

图6是本发明实施例4所得到的氮掺杂有序介孔碳材料的孔结构分布图，显示为均一的介孔结构，孔径中心集中于4.02。

具体实施方式

实施例1：

取1.0 mL吡咯，加0.6 mL无水乙醇和0.1 mL浓硫酸，获得浅黄色透明溶液即为吡咯低聚物。将上述低聚物溶液逐滴滴加到1.0 g SBA-15介孔分子筛表面，于80 ℃下真空干燥6小时，继而在160 ℃下预碳化8小时，将获得深棕色或黑色粉末置于气氛管式炉中，在氩气保护下，以1 ℃/min速率升温至350 ℃，焙烧2小时，然后以5 ℃/min速率升温至950 ℃，热解2小时，在氩气氛保护下冷却至室温，用20% HF酸浸泡6小时，洗涤至检不出F^-离子，干燥，即获得氮掺杂有序介孔碳材料。