[发明专利]一种磁性氮掺杂碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料技术领域，涉及一种氮掺杂碳材料的制备方法，尤其涉及一种磁性氮掺杂碳材料的制备方法。

背景技术

碳是地球上一切有机体最主要的组成元素。碳原子之间不同的成键方式导致形成了多种不同存在形式的碳材料，既有常见的层状结构组成的质软滑腻的石墨，也有四面体结构组成的珍贵的坚硬不催的金刚石。碳材料以其优良的耐热性能、高导热系数、良好化学惰性、高电导率等优点，被广泛应用于冶金、化工、机械、电了、航空等领域。近几年来，碳材料在电化学应用领域也受到了很大关注，尤其在燃料电池催化剂应用方面。在碳材料中加入氮元素，能明显提高碳材料的氧还原活性。研究表明，氮掺杂碳材料的性能与氮的掺杂量有直接关系。高温热解含氮前驱体是获得氮掺杂碳材料最便捷的方法之一。但是受前驱体中氮含量的制约，氮掺杂量很难控制。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种磁性氮掺杂碳材料的制备方法。

本发明磁性氮掺杂碳材料的制备方法，将乙醇和去离子水的混合溶剂用浓盐酸调pH至1~3后，在搅拌下依次将氧化碳化剂、碳源、氮源充分溶解或分散于混合溶剂中搅拌混合均匀，然后蒸去溶剂，于60℃~80℃下碳化40~50h，碳化产物经研磨后再于180~200℃下碳化3~6h，即得到磁性氮掺杂碳材料。

所述碳源为糖类（如蔗糖、葡萄糖、淀粉、纤维素等）；所述氮源为甘氨酸或三聚氰胺；所述氧化碳化剂为六水合三氯化铁。

所述混合溶剂中，乙醇与去离子水的体积比为1:1~1:2。

所述氮源与碳源的质量比为1:10~1:50。

所述氧化碳化剂与碳源的质量比为1:2~1:3。

所述蒸去溶剂是在鼓风烘箱中，于60~70℃下进行。

图1为本发明一次碳化产物的拉曼谱图，并与C粉（XC-72）相对照。从图1可以看出，氮掺杂碳材料已经开始形成了G峰，但很不规则，说明碳源和氮源只有少部分碳化。

图2是本发明制备的磁性氮掺杂碳材料的拉曼谱图，并与C粉（XC-72）相对照。从图2中可以看出，本发明制备的氮掺杂碳材料的D峰和G峰都很明显，并且G峰明显高于D峰，说明形成的碳材料石墨化程度比较高，碳源和氮源基本碳化完全。

图3为本发明制备的氮掺杂碳材料的X射线衍射谱图。测试条件为40kV，30mA，使用Cu靶射线管。从图3中可以看出，在2θ=24.8度有明显的碳特征峰，说明碳源和氮源已经被碳化，同时也显示了三氧化二铁的特征峰，说明在氮碳材料形成过程中，一部分Fe³⁺以三氧化二铁的形式仍然存在于碳材料中。

图4为使用永磁体对本发明制备的氮掺杂碳材料进行磁性测试的图片。图4A是在无永磁体条件下，氮掺杂碳材料被置于样品瓶中，并且氮掺杂碳材料自然置于样品瓶底部；图4B是在装有样品的样品瓶旁边置一永磁体，发现本发明制备的氮掺杂碳材料都向永磁体一侧靠拢，说明本发明制备的氮掺杂碳材料具有磁性。这说明氮掺杂碳材料在形成过程中，一部分Fe³⁺转化成了Fe或者四氧化三铁而表现出了铁磁性。

经检测，本发明制备的磁性氮掺杂碳材料的含氮量为0.9%~12.5%。

本发明相对现有技术具有以下优点：

1、以蔗糖等糖类为碳源，属可再生资源，成本低；

2、以甘氨酸或三聚氰胺为氮源，无污染，绿色环保。

3、以六水合三氯化铁为氧化碳化剂，使碳源、氮源的氧化碳化在比较低的温度下实现，反应条件温和，成本低，易于操作控制，同时确保了氮掺杂碳材料的磁性；

4、氮掺杂碳材料中的含氮量可通过调节碳源和氮源比例进行控制。

5、本发明制备的氮掺杂碳材料具有磁性，便于分离。

附图说明

图1为本发明制备碳材料过程中一次碳化产物的拉曼谱图；

图2为本发明制备的氮掺杂碳材料的拉曼谱图；

图3为本发明制备的氮掺杂碳材料的X射线衍射谱图；

图4为本发明制备的氮掺杂碳材料磁性测试图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明磁性氮掺杂碳材料的制备作进一步说明。

实施例1

（1）将无水乙醇和去离子水以1:1的体积比混合形成混合溶剂40mL，并用浓盐酸调节溶液pH=2；

（2）将0.60g六水合三氯化铁（FeCl₃·6H₂O）和1.50g蔗糖依次加入到混合溶剂中，并搅拌20分钟；