[发明专利]一种固相法合成含氮硫多级孔炭的方法

说明书

本发明涉及一种基于席夫碱化学，利用原位固相法制备含氮、硫等杂原子多孔炭的合成方法。利用含氨基的芳环类化合物(三聚氰胺，对氨基苯磺酸等)与含芳环醛类(对苯二甲醛、间苯二甲醛或4,4'‑联苯二甲醛)之间的席夫碱反应，生成含氮、硫聚合物。通过聚合物热解过程中产生的碳氧化合物等还原性气氛与氧化锂之间的气固相反应，原位生成碳酸盐作为制备炭材料的模板，酸洗除去模板得到含氮、硫等蜂窝状结构多孔炭材料。本发明所述方法制备方法操作简单，设备简易，原位反应生成模板，进而可以获得多孔结构炭材料，通过调控实验参数能够制备形貌可控、孔道结构可调的含氮、硫等杂原子的多级孔结构炭材料。

技术领域

本发明涉及一种固相法合成含氮、硫多级孔炭的制备方法，利用此工艺方法可合成蜂窝状含氮、硫多级孔道结构炭材料，属于新型杂原子掺杂炭素材料制备及其电极应用领域。

背景技术

多孔炭是在纳米-微米等空间尺度范围内，具有超微粒子和表面性固体特性的多孔性炭质材料，纳米结构的多孔炭材料，其孔道结构和表面化学可定向调变，使其在吸附材料、催化剂载体以及电极材料等领域表现出良好的应用前景。

在电极材料应用领域，研究认为大孔-介孔-微孔串联型多级孔块体结构炭材料可以有效提高电极的离子传输速率，同时，炭材料贯通的骨架结构有效提高了电子的传输速度。因此，对炭材料的形貌和孔道结构进行调控，可以有效提高其电化学性能。当前报道的多级孔材料的制备方法通常受到合成周期长；合成方法复杂；特殊的工艺要求(CO₂超临界干燥等)；需要消耗大量溶剂，非环境友好等限制。人们采用硬模板法，可以有效调控制备炭材料的形貌和孔结构。虽然该方法可以制备具有特定结构与形貌的多级孔结构材料，但是繁琐的制备过程限制了其规模化应用。因此，发展一种简单高效的制备方法尤为必要。利用简单的固相反应，通过炭源与模板前驱体之间的化学作用，原位反应一步获得炭与模板的复合结构，可以高效快捷地制备多孔炭材料。

炭材料的表面化学性质影响其电极应用领域的性能，通常人们采用后处理方式在炭材料中引入杂原子官能团，如通过氨气高温活化多孔炭材料，制备含氮多孔炭材料。后处理方式在炭骨架中引入杂原子官能团的含量较低，并且官能团仅分布在炭材料的表面，分布均一性较差。由于对炭材料处理过程中所使用的大量有毒气体，使这种制备过程非环境友好。通过后处理方式在炭表面引入杂原子官能团的同时，也会对炭材料原有的孔道结构和形貌造成一定的破坏。这种方法制备条件可控性相对较差，引入的杂原子在炭材料的表面分布均一性也较差。因此亟需发展简单的合成工艺，以合成出杂原子改性的多孔炭材料为目标，简化制备方法。

以三聚氰胺为代表的胺类是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，被用作化工原料，制备三聚氰胺树脂，可用于塑料及涂料工业。同时三聚氰胺树脂因其具有丰富的含氮官能团，通过炭化热解处理，可以获得含氮炭材料。通常这类炭材料的制备需要首先经过复杂的方式获得三聚氰胺树脂，同时制备的炭材料的孔结构和形貌的可控性也较差。因而如何能够使用简单的合成手段，利用三聚氰胺等含氨基的芳环类化合物，制备出具有具有含杂原子官能团形貌可控的多级孔道结构炭材料是当前待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种固相法制备含氮、硫等杂原子的多级孔道结构炭材料的制备方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：以含氨基的芳环类化合物和含芳环醛为原料，通过氨基与醛基之间的席夫碱化学反应，制备含氮、硫聚合物，氧化锂与聚合物热解过程中产生的碳氧化合物之间的气固相反应生成其碳酸盐，原位形成制备多孔炭材料的模板，经高温热解及酸洗除去模板制得含氮、硫蜂窝状多级孔结构炭材料。该技术制备的炭材料具有贯通的大孔-介孔-微孔，含有丰富的含氮、硫等官能团，表现出改性的表面化学性质。

一种固相法合成含氮、硫多级孔结构炭的制备方法，该制备方法步骤如下：