[发明专利]一种磷-氮异原子掺杂多孔碳材料及其合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种磷-氮异原子掺杂多孔碳材料及其合成方法，属于碳材料领域。

背景技术

多孔碳材料不但具有化学稳定性高、导电性好等优点，而且，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔径可调等优点，在催化、吸附、电化学等诸多领域中有着广泛的应用。但是，由于多孔碳材料制备过程中表面生成的大量含氧功能基团，这些含氧功能基团与碳材料导电通路不相容，导致随着多孔碳材料比表面积的增大，材料的导电性发生递减，进而影响多孔碳材料的电化学性能。因此，如何根据多孔碳材料的功能需要，设计新型的碳材料结果，解决多孔材料难以同时具有高的比表面积和导电性这一问题，已经成为大家关注的问题。

在碳材料中掺杂非碳的元素(如氮和磷)等相关的研究，已经引起人们的广泛关注。近年来，人们发现氮、硫、磷等异原子掺杂的碳材料具有不同于常规碳材料的电子输运、化学和物理等性质。例如，氮掺杂碳材料相对于非掺杂碳材料而言，具有更优良的催化、电催化、电容等性能以及更高的导电性。掺杂碳材料已经在平板电脑、微电子器件、燃料电池、超级电容器、锂离子电池等方面有着广泛的应用。然而，由于氮、磷等异原子具有不同于碳原子的原子半径和电负性，异原子掺杂所形成的N-C，P-C等键合形式的键长和键角不同于常规碳材料的C-C键合形式，增加了碳材料六边形框架结构的不稳定性，氮、磷等异原子很难掺杂到碳材料中，导致碳材料所掺杂的异原子浓度较低，所形成的异原子-碳原子键合形式类型繁多，无法研究不同浓度杂原子和具有特定异原子-碳原子键合形式对碳材料结构，物理化学性质、性能的影响。因而，合成具有高浓度的异原子(氮、磷)掺杂的碳材料，及制备具有特定异原子-碳原子键合形式为主导的掺杂碳材料，特别是异原子掺杂的多孔碳材料是非常重要的。

国内专利申请“一种磷-氮碳纳米管的制备方法”(申请号:201210187143.9)，采用Fe/Y作为催化剂，赤磷作为磷源，乙二胺作为氮源，氩气作为保护气体，采用化学沉积法制备磷氮掺杂的碳纳米管；国内专利申请“一种氮磷共掺杂多壁碳纳米管的制备方法”，采用FeMo/Al₂O₃催化剂(申请号:201010528675.5)，以甲苯为碳源，三苯磷为磷源，氮气为氮源，采用化学沉积法制备氮-磷掺杂多壁碳纳米管。

前驱体的选择在磷-氮异原子掺杂碳材料的制备工艺中是非常重要的因素。目前，制备氮、磷-氮异原子掺杂碳材料选用的氮源一般为乙二胺、吡啶、氮气等化合物，而磷源一般为磷酸、单质磷、磷酸铵等化合物，这些氮源和磷源存在诸如氮和磷含量较低,氮源与氮源具有较弱的结合力等问题,所制备的氮、磷-氮异原子掺杂多孔碳材料的磷含量和氮含量较低，且无法调控异原子-碳原子的键合方式，因而，开发新的氮源、磷源及合成方法，用于制备具有高的氮含量,磷含量、和具有特定的特定异原子-碳原子键合形式为主导的，磷-氮异原子碳材料材料是有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种磷-氮异原子掺杂多孔碳材料的合成方法。所述碳材料氮、磷含量较高，比表面积和产率均较高，且制备方法步骤简单，容易操作。

本发明的目的由以下技术方案实现：

一种磷-氮异原子掺杂多孔碳材料，所述的磷-氮异原子掺杂多孔碳材料是通过化学键合方式将磷原子和氮原子共同引入到多孔碳材料中，使多孔碳材料中碳六元环结构中的碳原子被磷原子、氮原子共同取代的一种功能性多孔碳材料；所述的磷-氮异原子掺杂多孔碳材料具有多孔纳米碳结构；以所述多孔磷-氮共掺杂碳材料的总质量为百分之百计，其中磷原子的质量百分比为0.1～1％、氮原子的质量百分比为0.1～30％。

本发明所述磷-氮异原子掺杂多孔碳材料的合成方法，步骤如下：

A.将含磷有机物溶解到含氮导电高分子单体中，或将含磷有机物和含氮高分子单体溶解于易挥发的溶剂中，得到混合溶液1，将混合溶液1加入到酸性溶剂中，混合均匀，得到悬浊液1，之后将硅基硬模板与金属催化剂加入到悬浊液1，混合均匀得到悬浊液2，最后向悬浊液2中加入引发含氮导电高分子单体聚合的氧化剂，在0～80℃下，搅拌聚合得到前期聚合物1；

B.将上述前期聚合物1干燥，得到固体1，将固体1在氮气或者氩气保护下煅烧，具体为先以1～10℃/min的速度升温至600～1000℃，在此温度下保温0～1h，待降到25℃，取出，得到固体2；