[发明专利]一种氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片的制备方法

说明书

本发明提供一种氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片的制备方法，属于多孔碳材料的制备领域。该方法以植酸类有机物为磷源和碳前驱体，三聚氰胺海绵为氮源和支撑骨架，采用铁、钴、镍盐为石墨化剂，利用植酸类有机物中丰富的羟基氧与金属离子之间的络合作用，形成相互交联的网络结构；在碳化过程中，络合物受到金属离子的限域和择型作用形成片状或平面状结构，同时基于过渡金属的催化石墨化作用以及磷酸的活化作用，得到氮、磷、氧共掺杂的多孔石墨化碳纳米片。与采用模板法制备碳纳米片的技术相比，本发明方法简单、成本较低，得到的碳纳米片具有二维垂直分布的孔隙结构以及较高的石墨化度，在储能、催化、吸附等领域有着巨大的应用前景。

技术领域

本发明属于多孔碳材料的制备技术领域，特别是一种氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片的制备方法。

背景技术

二维结构的碳纳米片，具有开放式平面结构、高的比表面积以及优异的导电性能，能够提供较短的离子扩散路径和快速的电子传输通道。其独特的结构和性能使其在能量储存和转化领域受到广泛关注。然而，传统制备的碳纳米片，如石墨烯，易于团聚，且表面缺乏垂直的孔道，这意味着当离子在垂直方向上扩散时，电解质离子必须找到石墨烯平面的边缘或缺陷部位，从而延长了离子传输路径，导致缓慢的离子迁移能力。近年来，研究者们通过采用KOH活化法或电子、离子束刻蚀法使石墨烯表面产生大量缺陷从而解决石墨烯的团聚现象以及垂直方向上离子运输阻碍问题。但制备过程繁琐、成本较大，不利于大规模生产。此外，模板法制备的碳纳米片通常具有较小的比表面积和较低的石墨化度。

碳材料的表面官能团也会直接影响其电化学性能。杂原子（如N、O、P）的存在可以提高碳基电极材料的表面润湿性并且增加赝电容；此外，杂原子掺杂会在炭材料中产生许多结构缺陷，在增加比表面积的同时也增加了反应的活性位点。因此，可以考虑通过杂原子掺杂制备石墨化碳纳米片，以解决现有技术中存在问题。

发明内容

针对碳纳米片制备过程繁琐、片片间严重堆叠，以及孔隙分布不合理、导电性能差等问题，本发明提供了一种氮、磷、氧共掺杂的多孔石墨化碳纳米片的制备方法，该方法操作简单、成本较低，经该方法制得的氮、磷、氧多孔石墨化碳纳米片具有可调的比表面积和均匀分布的石墨化度。

本发明以植酸类有机物为碳源，以三聚氰胺海绵为支撑骨架，以过渡金属盐作为石墨化剂。利用有机物中的羟基氧和金属离子之间的络合作用，通过简单浸渍、自组装法、一步碳化法，制备出氮、磷、氧共掺杂的多孔石墨化碳纳米片。

一种氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片的制备方法，包括以下内容：

（1）将一定量的植酸类有机物溶于水中，随后在搅拌状态下将过渡金属盐溶液逐滴加入到混合溶液中，持续搅拌1小时，随后加入一定量的三聚氰胺海绵，搅拌使其（指三聚氰胺海绵）充分浸渍，通过金属与有机物的络合作用及配位作用得到自组装铁-有机物络合物，随后置于80℃烘箱中干燥；

（2）将干燥后得到的固体在氮气气氛下碳化，以5~20℃/min的升温速率升到700~1200℃，碳化保温1~6小时后，自然冷却，经酸洗涤去除产物中的金属元素和其它杂质后再用去离子水洗涤至中性，将固体产物置于80℃烘箱中干燥，即得所述氮、磷、氧共掺杂多孔石墨化碳纳米片。

本发明提出的方法以植酸类有机物为前驱体，利用有机物中丰富的羟基氧与金属离子之间的络合作用，形成相互交联的网络结构；在碳化过程中，络合物受到金属离子的限域和择型作用形成片状或平面状结构，同时基于过渡金属的催化和石墨化作用以及磷酸的自活化效果，最终得到氮、磷、氧共掺杂的多孔石墨化碳纳米片。

步骤（1）中所述的三聚氰胺海绵与植酸类有机物的质量比为0.025:1~0.1:1。步骤（1）中所述的过渡金属盐与植酸类有机物的质量比为0.167:1~3:1。

步骤（1）中所述的植酸类有机物溶液浓度为0.1~0.3 g/mL；所述的过渡金属盐溶液浓度为0.05~3 g/mL。上述浓度和用量能确保有机物和催化剂可以完全溶于水中，形成均匀的溶液，以利于络合反应的进行。