[发明专利]一种磷掺杂功能化的介孔碳材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种磷掺杂功能化的介孔碳材料的制备方法，包括如下几个步骤：(1)混合液A的制备；(2)混合液B的制备；(3)含磷复合前驱体的制备；(4)含磷复合前驱体的碳化处理；(5)样品MC‑TPP的制备；本发明将功能元素掺杂和介孔合成二者创新性的融合在一起，实现同步制备，考察了不同的磷源，以三苯基磷的效果最优，三苯基磷作为重要的前驱体，不仅为碳的掺杂提供磷源，而且充当介孔合成的添加剂，起到扩孔的作用，所制备的材料具有均匀的介孔结构，磷掺杂效果优，元素分散性好等优点。

技术领域

本发明涉及无机材料技术领域，具体涉及一种磷掺杂功能化的介孔碳材料的制备方法。

背景技术

众所周知，碳材料在实际使用中的(如吸附等)诸多性能往往取决于材料的孔结构和表面物理化学特性，不仅材料的孔径、孔容和比表面积等物理参数影响碳材料的表面吸附，而且碳材料表面的化学特性在特定的吸附、催化剂负载和表面反应中也扮演重要的角色，由于碳材料的化学惰性和稳定性，使得其功能化较硅基介孔材料困难，因此碳材料表面功能化的研究变得很有意义和富有挑战性。碳材料表面的功能化包括氧、氮、磷、硼、氯、氟等杂原子的掺杂。含氧官能团可以使得碳基材料具有更好的亲水性和阳离子交换能力，同时还有利于修饰负载其他贵金属粒子。碳材料表面的含氧官能团的产生一般采用HNO3氧化后处理的方法，使其表面氧基团增加，这样还可以后续负载贵金属粒子进一步功能化，但其中不足之处是后处理容易导致碳材料部分孔隙的塌陷和有序度的降低，因此直接合成元素掺杂碳材料功能化就成为优选方法，这种方法在选择碳前驱体的时候通常选择本身含有杂原子的化合物作为前体。比如氮掺杂碳的合成可以选择含有氮原子的碳源如聚丙烯腈、吡咯等，通过高温碳化处理一步或多步合成实现氮掺杂。氮掺杂碳材料的研究结果显示其具有良好的物理性质和化学性质，这表明杂原子掺杂会影响碳材料的酸碱性从而调变它们的电化学性质和催化性能。一些研究结果表明，磷元素掺杂的碳材料同样具有许多特殊的性质，这些性质包括酸性官能团，离子交换能力和增强氧化能力。Wan通过研究磷掺杂类金刚石碳膜，发现磷掺杂碳在高电场可增加电流密度，这种掺杂膜材料优异的场发射性能主要因为材料表面形貌和由于掺杂导致材料微结构的改变影响。Puziy等以磷酸和苯乙烯-二乙烯基苯聚合物为源在不同温度下焙烧合成碳材料，得到的碳材料拥有酸性和类似于氧化处理碳的离子交换能力，这种用磷酸处理的酸性碳材料相对于氧化处理的碳材料更稳定。然后他们又选用了磷酸和三种碳源(核果，苯乙烯-二乙基苯，bismelimidodiphenylmethane-divinylbenzene共聚物)在800℃焙烧得到含有磷功能化的微孔碳材料。电化学分析的结果说明该材料能极大地增强超级电容器的能力密度。Puziy课题组在磷掺杂方面做了大量工作，他们基于不同的碳源和磷酸混合通过高温焙烧得到磷酸功能化的碳材料，这种方法不仅可以改善碳材料的孔性质而且可以在碳材料里面包裹大量的磷。

目前中国专利CN108609604A中公开了一种磷掺杂微孔/介孔碳材料及其制备方法，属于碳材料的制备及应用技术领域。是将秋葵用清水清洗干净后烘干，-45℃～-80℃条件下冻干48小时～96小时，得到冻干秋葵；再在700℃～900℃条件下热处理2小时～4小时，得到磷掺杂微孔/介孔碳材料。所制备的磷掺杂微孔/介孔碳材料为三维多孔结构，微孔孔尺寸为0.5～1.8nm，微孔孔体积为0.3～0.8cm3/g，介孔孔尺寸为5～10nm，孔体积为0.8～1.5cm3/g，BET比表面积为600～900m2/g，磷原子的掺杂含量为4～12wt％。所制备的磷掺杂微孔/介孔碳材料具有大的比表面积、大的孔隙率和可调控的孔径分布，同时还具有微孔和介孔两种尺寸的孔，这些独特的多孔结构使得磷掺杂微孔/介孔碳材料在许多领域有着重要的应用前景。

但现有的介孔碳材料通常存在磷掺杂效果差，元素分散性差的缺陷。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种磷掺杂功能化的介孔碳材料的制备方法，有效的弥补了现有技术存在的缺陷。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：