[发明专利]一种杂原子掺杂的金属含碳材料的制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及材料制备领域，具体涉及一种杂原子掺杂的金属含碳材料的制备方法和用途。

背景技术

近期，高温裂解的类沸石咪唑金属骨架结构（zeolitic imidazolate frameworks，ZIFs）作为一种新型材料，被广泛用于各种电化学反应中，因为相较于商业化的Pt/C、IrO2等材料，其有更加稳定的性能。ZIFs是一系列拥有三维拓扑结构的多孔晶体，通过过渡金属与咪唑配体之间的配位作用形成，属于金属有机骨架化合物（Metal-Organic Frameworks, MOFs）中的一种。ZIFs中的金属与配体之间形成“M-Im-M”键，其夹角与沸石SiO2一致，所以被命名为类沸石咪唑结构。形成的分子筛中因为有这些环的存在而形成规格的孔道或孔笼。

专利“CN 106311152 A”（一种介孔类沸石咪唑酯骨架材料及其制备方法与应用）描述了一种通过溶剂热法制备类沸石咪唑的方法，所述材料比表面积大，但是无高效的催化活性位点，因此不适用于电极材料。

专利“CN 104817577 A”（一种高效简便的不同形貌类沸石咪唑骨架ZIF-8晶体的制备方法及催化应用）描述了一种在甲醇溶液中制备类沸石咪唑骨架ZIF-8晶体的方法，该方法制备出了不同形貌的ZIF-8并应用于催化，但是类沸石咪唑材料本身仅仅含有N这一种杂原子，没有其他杂原子，因此其催化能力有限。

专利“CN 103213968 B”（一种杂原子掺杂碳材料及其制备方法和应用）描述了一种将卤素高分子、杂原子有机物和碳化钙混合并高温碳化，该方法制备出的杂原子掺杂的碳材料虽然具有较多杂原子，但是其石墨化程度有限，同时杂原子与碳的复合材料的电化学性能往往不及含有金属的材料。

因此，本发明希望通过制备杂原子掺杂的金属含碳材料，进一步提高材料的电化学性能。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种杂原子掺杂的金属含碳材料的制备方法和用途，所述制备方法得到的一种杂原子掺杂金属含碳可用于包括重金属检测、有机物检测、活性氧检测或氧气还原反应中的任意一种。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明目的之一在于提供一种杂原子掺杂的金属含碳材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

（1）将金属离子、咪唑配体化合物和水溶性高分子聚合物溶于溶剂A；

（2）一段时间后将氧化石墨烯溶液加入步骤（1）的溶液；

（3）将步骤（1）和（2）的溶液混合并搅拌，固液分离，所得沉淀在惰性气体保护下煅烧，得到氮掺杂的金属含碳材料；

（4）将步骤（3）得到的氮掺杂金属含碳材料放入双控温真空管式炉中的高温区，将含有其他杂原子的材料放在低温区，在有惰性保护气、低压下高温煅烧，得到杂原子掺杂的金属含氮材料。

作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述的过渡金属化合物包括硫酸钴、氟硼酸钴、氧化钴、硫酸锌、氯化锌、氧化铁、氯化铁中的一种；

作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述的咪唑配体化合物包括2-甲基咪唑、2-巯基-5-甲氧基苯并咪唑、4-硝基咪唑中的一种，优选为2-甲基咪唑或4-硝基咪唑；

优选地，所述咪唑配体化合物与所述过渡金属化合物的摩尔比为(1~5):1,如1:1、2:1、3:1、4:1或5:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其它未列举的数值也同样适用。在溶液中的总质量浓度为0.5~5 wt%，如0.5 wt%、1 wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%或5 wt%等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其它未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述水溶性高分子聚合物包括聚丙烯酰胺、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种；优选地，所述水溶性高分子聚合物在溶剂中的质量浓度为1~10 wt%，如0.5 wt%、1 wt%、2 wt%、3 wt%、4 wt%、5 wt%、6 wt%、7 wt%、8 wt%、9 wt%或10 wt%等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内包含的其它未列举的数值也同样适用。

作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述溶剂A包括甲醇、乙腈或N,N-二甲基乙酰胺中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：乙腈和甲醇的组合、甲醇和N,N-二甲基乙酰胺的组合、乙腈和N,N-二甲基乙酰胺的组合或乙腈、甲醇和N,N-二甲基乙酰胺的组合等，进一步优选为甲醇。