[发明专利]一种氮掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种多孔碳材料、制备方法及其应用，更具体地说涉及一种氮掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用。

背景技术

随着近些年全球气候的不断变化和能量储存危机的逐渐严峻，多孔材料如多孔碳，沸石分子筛，金属有机骨架(MOFs)，多孔聚合物等在碳捕获，高密度气体储存以及电化学方面的应用备受关注。杂原子掺杂的多孔碳材料现在已经越来越得到人们的广泛关注，而其中氮掺杂是目前研究最为广泛的一种改性方法，这主要是由于氮元素在元素周期表中临近于碳元素，与碳具有相近的原子直径，因而采用氮取代碳的过程中，材料结构不会发生明显的变化。同时氮原子的掺杂，可以有效改变碳材料的形态、结构和化学性能，进而改善材料在吸附分离，气体储存和电化学方面的应用前景。

利用富氮的前驱体作为氮源，可以碳化得到氮掺杂多孔碳材料，常见的富氮前驱体有含氮生物质材料，三聚氰胺甲醛树脂，聚对苯二胺和含氮多孔材料等高分子聚合物。然而制备该类材料也存在一些技术难题，首先，一些氮源由于其本身的影响，碳化形成的氮掺杂多孔碳材料性能不佳；其次，采用含氮多孔材料作为氮源制备则成本较高，较为复杂，比如说Lu等(Angew.Chem.Int.Ed.,2012,51,7480–7484)合成的聚胺修饰的PPN-6中富含较多的胺基且其展现出较好的结构特性，但是其合成较为复杂，其前驱体PPN-6的制备也需要昂贵的催化剂，且其中的胺基是后修饰所形成的，不适合作为氮源，这些方面导致其很难作为氮源进行碳化合成氮掺杂多孔碳。因此，选择一种合适的氮源并研发合成新型多孔碳材料成为解决问题的关键，并且将合成的材料应用到吸附和电化学领域当中已经成为了当今科学研究的重点。

发明内容

本发明目的是克服现有技术存在的问题，采用合适的氮源，提供一种氮掺杂多孔碳材料，可用于低压吸附分离、高压吸附储存以及电化学领域。

本发明还提供上述材料的制备方法，该方法步骤简单，易于控制，成本低廉；还提供上述材料在低压吸附分离、高压吸附储存和电化学方面应用。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的氮掺杂多孔碳材料，其是由含胺基的多孔聚合物材料为氮源高温碳化制备而成；所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为400-3000m²/g，孔容为0.2-1.5cm³/g，孔径尺寸为0.59-0.70nm。

本发明的氮掺杂多孔碳材料，其进一步的技术方案是所述的多孔聚合物材料由卤化苄单体与伯胺类单体通过聚合反应制得。

本发明的氮掺杂多孔碳材料，其进一步的技术方案还可以是所述的卤化苄单体为1,3,5-三氯甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三氯甲基-2,4-间二甲苯、1,3,5-三氯甲基苯、1,3,5-三溴甲基苯中的一种或其组合；所述伯胺类单体为乙二胺、1,2-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺、对苯二胺中的一种或其组合。

本发明上述氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其包括以下步骤：

第一步、由卤化苄单体与伯胺类单体通过聚合反应制得含胺基的多孔聚合物材料；

第二步、将多孔聚合物材料在空气氛围下低温预碳化以形成稳定的结构；

第三步、将第二步所得产品在高温惰性气氛下碳化、洗涤、干燥后得到氮掺杂多孔碳材料。

本发明的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其进一步技术方案是所述的卤化苄单体为1,3,5-三氯甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三溴甲基-2,4,6-三甲基苯、1,3,5-三氯甲基-2,4-间二甲苯、1,3,5-三氯甲基苯、1,3,5-三溴甲基苯中的一种或其组合；所述伯胺类单体为乙二胺、1,2-丙二胺、1,4-丁二胺、1,6-己二胺、1,4-环己二胺、对苯二胺中的一种或其组合。

本发明的氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其进一步技术方案还可以是第二步中所述预碳化过程中，预碳化温度范围为：100℃-200℃，碳化时间为：60-200min。