[发明专利]一种高含量氮掺杂多孔碳材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，尤其涉及一种高含量氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

背景技术

多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳材料，其孔径可以根据实际应用的要求（如所吸附分子尺寸等）进行调控，使其尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间。多孔碳材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点；同时，孔结构的引入使其同时具有比表面积大、孔道结构可控、孔径可调等特点。它的这些优点使它在能源储存和分离的研究方面受到了广泛关注，主要集中在氢气储存、甲烷储存、二氧化碳的选择性吸附、超级电容器和锂硫电池等方面。

对碳材料进行氮掺杂改性是目前比较热门的研究课题，因为在多孔碳中掺杂氮原子可以极大地改变材料的表面结构、调变其孔道结构、增强其亲水性、影响材料表面pKa值、改善材料的电子传输速率，从而扩大多孔碳材料在各领域的应用范围（J.Phys.Chem.C2010,114,8581；Carbon2011,49,844；J.Mater.Chem.2012,22,19726;ACS Appl.Mater.Interfaces2013,5,5630）。对多孔碳材料进行氮掺杂改性常用的方法主要有两种：一种是合成碳材料过程中直接掺杂氮原子，即原位掺氮(Carbon2002,40,1353;Chem.Mater.2005,17,124;Angew.Chem.Int.Ed.2006,45,4467）；另一种是用含氮前驱体（如氨气、乙腈、尿素等）对合成的碳材料进行后处理，即后处理掺氮（Carbon1994,32,1507）。研究表明，用氨气、尿素及硝酸等不同氮源分别热处理各种碳材料，可在碳材料中引入化学氮。后处理法可得到含氮表面官能团及结构氮，但是氮的掺杂量较低，一般在3%以下。要得到高氮含量的多孔碳材料通常需用原位掺氮法，在硬模板法或软模板法制备多孔碳过程中引入含氮前驱体。最常用的含氮前驱体包括胺基糖类、三聚氰胺、苯甲胺等。尽管通过原位掺氮的方法可以得到高氮含量的多孔碳，但也存在着很多的问题，比如：制备过程需要用到诸多有机化学试剂，价格相对昂贵；去除模板过程需要用到氢氟酸等强腐蚀剂，过程繁琐复杂且环境不友好，因此这种方法不适用于工业应用。因此，如何简单且有效地制备高氮含量的多孔碳材料是目前仍需努力解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作方便，成本低廉，适用于大规模工业生产高含量氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种高含量氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质原料干燥、粉碎后得到颗粒，在氮气气氛下进行高温碳化处理，然后在氨气气氛下进行高温氨化处理，得到高含量氮掺杂多孔碳材料。

所述生物质原料为玉米芯、椰壳、竹叶或鱼骨等。

所述生物质原料干燥、粉碎后得到颗粒是在干燥箱内100～150℃下干燥时间至少为24小时，粉碎过筛后颗粒尺寸控为25～880um。

所述高温碳化处理中，氮气的流速为0.5～1L/min，升温速率为3～5℃/min，温度为300～600℃，处理时间为0.5～6小时。

所述高温碳化处理后，温度为200-600℃时，用氨气置换氮气至少三次。

所述高温氨化处理中，氨气的流速为1～3L/min，温度为400-900℃，处理时间为1～10小时，升温速率为4～10℃/min。

所述高温氨化处理后，当温度低于400℃时，停止通入氨气，将氨气切换成氮气，在氮气气氛下继续自然冷却至室温。

所述高含量氮掺杂多孔碳材料的比表面积为400～1200m²/g。

所述高含量氮掺杂多孔碳材料的孔径为0.6～2nm。

所述高含量氮掺杂多孔碳材料的氮含量为1～13%。

本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

1、本发明的方法利用两步高温处理的方法制备氮掺杂多孔碳材料，突破了氮掺杂多孔碳材料传统制备方法的限制，碳化和氨化过程连续完成，氨化过程中，造孔和氮掺杂同时进行，一步完成，方法简便有效。

2、本发明以天然生物质原料为母体材料制备多孔碳材料，原料来源广泛，成本低廉。

3、本发明的方法制备出的多孔碳材料具有高的比表面积，孔径分布均一，呈现典型的微孔特征，并具有高且可控的氮含量，在气体的储存与捕集、超级电容器和锂硫电池等方面具有良好的应用前景。