[发明专利]一种碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种碳材料的制备方法，该方法是将前驱体置于坩埚或具有坩埚功能的容器中并盖上坩埚盖，然后一起置于马弗炉中或同样马弗炉环境中直接高温碳化，在碳化温度保温一段时间后降温至室温，最后洗涤、干燥后得到所需的碳材料。本发明在马弗炉中空气气氛下直接高温碳化，反应条件易控制，无需管式炉和惰性气体例如氩气或氮气等苛刻条件，制备方法简单、步骤少、可操作性强，易放大制备和适应规模化工业生产。本发明方法得到的氮氧掺杂的介孔碳材料比表面高、孔体积大、介孔孔径分布窄、亲水性强、在水中分散稳定。

技术领域

本发明涉及一种碳材料、特别是杂原子掺杂碳材料的制备方法技术领域。

背景技术

近年来，碳纳米管、碳纤维、石墨烯等碳材料因其具有化学和热稳定性好、电子导电性高、密度低、可以杂原子掺杂等诸多优点而备受关注，并广泛用于气体吸附与分离、水的净化、油水分离、色谱分析、传感、化学催化以及电化学清洁能源等领域。尤其是在能源存储与转换领域，碳材料本身可以作为电极材料用于电容器、锂离子电池、锂硫电池、钠/钾离子电池等，也可以作为电催化剂用于氧还原、氧析出、氢析出、二氧化碳电还原等。

碳材料中极易引入孔结构从而制备得到多孔碳。其大的孔容和高的比表面积不仅可以有效改善传质，并且可以使碳材料负载大量可以接触的活性位点。杂原子例如氮或氧原子的掺杂将会极大改变碳材料的性质和性能。例如，氮掺杂可以提高碳材料的导电率，并赋予碳材料额外的Lewis碱性和化学/电化学催化活性，而氧的掺杂则可以提升碳材料的亲水性，同时其含氧官能团可能会为超级电容器应用提供额外的赝电容。

碳材料一般是将前驱体在惰性气体中高温碳化得到，具体操作如下：将前驱体作为碳源置于管式炉中，通入惰性气体例如氩气或者氮气，然后升高温度至600度以上碳化。这种合成方式需要用到较为昂贵的管式炉，而且需要惰性气氛，整个流程较为复杂、条件苛刻，不利于大规模生产。此外，为了合成多孔碳材料，一般需要采用模板法或者是活化法。常用的模板包括硬或者软模板，其中硬模板法需要合成模板、将前驱体引入模板、聚合、碳化、除去模板多个步骤，非常耗时而且需要用于有毒的氟化氢或者是腐蚀性很强的强碱；而软模板法尽管不用除去模板，但是一般要用到有毒和挥发的甲醛，而且整个软模板法的碳化升温速率很低。因此，硬模板法或者软模板法一般尽管能得到具有介孔结构的碳材料，但是都不适宜于大规模制备。活化法与高温碳化类似，一般需要用于强碱KOH或者是CO₂等气体，整个过程复杂。同时，活化法一般难以实现对碳材料孔结构的控制，难以得到具有窄孔径分布的介孔碳材料。此外，要实现碳材料中杂原子例如氮或者氧的掺杂，往往需要采用特殊的前驱体或者是后处理的方法(即采用NH₃或者乙腈等处理已经合成好的碳材料)，不仅工艺繁琐，而且容易破坏碳材料的结构，从而影响其性能。

因此，寻找更简单、更容易规模化生产的技术制备碳材料、多孔碳尤其是氮氧掺杂的介孔碳材料显得尤为重要。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种操作简单且无需管式炉和惰性气氛的碳材料的制备方法。

为达上述目的，本发明采取的技术方案如下。

一种碳材料的制备方法，该方法是将前驱体置于坩埚或具有坩埚功能的容器中并盖上坩埚盖，然后一起置于马弗炉中或同样马弗炉环境中直接高温碳化，在碳化温度保温一段时间后降温至室温，最后洗涤、干燥后得到所需的碳材料。

所述的前驱体根据需要的碳材料进行选择，例如需要得到一种氧掺杂的碳材料，其前驱体选自生物质(碳水化合物)、天然或合成聚合物、多环芳香烃类、金属有机框架化合物、离子液体、质子酸盐、深共熔溶剂等。

所述的聚合物包括聚丙烯基腈、聚苯胺、聚吡咯、聚糠醇、聚多巴胺、酚醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、中间相沥青等。

所述的离子液体包括含有腈基、双键、苯环等不饱和基团的离子液体。