[發(fā)明專利]二步法制備氮摻雜多孔碳材料的方法及其用途

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810208054.1
• 申請日: 2008-12-29
• 公開（公告）號: CN101531357A
• 公開（公告）日: 2009-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高秋明;王煥磊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于儲氫材料和新能源材料領(lǐng)域，提供了一類二步法制備氮摻雜多孔碳材料的方法及其在儲氫材料和超級電容器電極材料的應(yīng)用。?

背景技術(shù)

多孔碳質(zhì)材料由于其低密度、高的比表面積、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的導(dǎo)電性、孔結(jié)構(gòu)可以調(diào)控以及不苛刻的應(yīng)用條件等優(yōu)點(diǎn)得到了眾多關(guān)注，成為儲氫材料和超級電容器電極材料研究的重要對象之一。?

在儲氫材料領(lǐng)域，因?yàn)槎嗫撞牧系拇鎯玫氖菤錃夥肿拥奈锢砦剑虼诉@種多孔材料可以實(shí)現(xiàn)小體積的大質(zhì)量存儲。從理論上來說，碳材料的比表面積越高，相應(yīng)的儲氫量也應(yīng)該越大。研究表明，對于理想的多孔碳材料，為獲得較大的吸氫量，一方面需要較高的比表面積以提供較多的吸附位置，另外還需要較大比例的微孔體積來提高有效吸附位置的比例[Y?Gogotsi?et?al，Adv.Funct.Mater.，2006，16，2288.]。最近，利用模板法制備多孔碳或碳氮材料得到了人們的普遍關(guān)注，但是單獨(dú)采用一步法合成出的多孔材料在含有一定量微孔的同時(shí)，同樣存在著大量的比較大的介孔。?

在超級電容器領(lǐng)域，電極材料是超級電容器的核心組成部分，其組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對電容器的性能起著決定性的影響。研究表明，合理的孔徑分布以及孔徑與電解液離子的良好匹配，加上較高的比表面積，能夠得到較高的電容值。合理的孔徑分布是為了有利于電解液離子的輸運(yùn)，孔徑與電解液離子的良好匹配是為了獲得較好的雙電層吸附，而較高的比表面積是獲得較高電容值的前提。此外，對多孔碳材料進(jìn)行雜質(zhì)原子摻雜，可以獲得一定量的贗電容，進(jìn)一步提高多孔碳材料的電容值。?

為了進(jìn)一步提高碳基多孔材料的性能，通過二步法能夠制備出含有大量微孔的多孔材料，非常適合于儲氫材料。同時(shí)該材料中含有的微孔有利于電荷的積累，而比較小介孔(2nm左右)有利于離子的輸運(yùn)，因此有利于提高材料的電容件能。?

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了得到高比表面積、同時(shí)具有高儲氫量、高電容值的氮摻雜多孔碳材料，提供一種二步法制備氮摻雜多孔碳材料的方法，該氮摻雜多孔碳材料比表面積高、孔體積大、孔徑大小可調(diào)變且分布較窄、微孔體積明顯提高，其作為儲氫材料具有很好的低溫儲氫性能，作為超級電容器電極材料具有良好的電化學(xué)電容性能，且整個(gè)制備工藝簡單可控、條件溫和，成本相對低廉。?

本發(fā)明解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：首先采用微孔分子篩為模板，采用液相浸漬和化學(xué)沉積二步方法制備而成。將干燥的微孔分子篩浸入到含有蔗糖、糠醇、聚丙烯腈等碳或碳氮前驅(qū)物的溶液中，直到碳前驅(qū)物充分浸入到模板的孔道中；將得到的復(fù)合物置于管式爐中，在碳化的同時(shí)通過氣相沉積將丙烯、乙腈、苯乙烯、甲苯等前驅(qū)物沉積在未充填的孔道中；將碳化后得到的碳氮/分子篩復(fù)合物加入到氫氟酸溶液和鹽酸溶液中，反復(fù)洗滌多次，然后經(jīng)過濾分離、洗滌、干燥得到去除模板后的氮摻雜多孔碳材料。?

本發(fā)明的作為儲氫材料的性能評價(jià)，采用重量法測量氫氣在氮摻雜多孔碳材料上的吸附量。測試前先將樣品在真空、高溫條件下預(yù)處理，去除吸附的氣體和殘留的水分。待溫度降至室溫以后，充入不同壓力的氦氣氣體進(jìn)行浮力測試，以此得到樣品的體積。再通過液氮將吸附系統(tǒng)降至所需溫度，通入氫氣氣體進(jìn)行變壓吸附測試。最后，通過綜合系統(tǒng)重量變化和浮力測試的結(jié)果來得到某一壓力下氫氣的吸附量。在1bar條件下，本重量測試系統(tǒng)與體積法(BET方法)給出的結(jié)果相吻合，說明本重量法測試系統(tǒng)給出的結(jié)果準(zhǔn)確性高。?

本發(fā)明的超級電容器電極性能的評價(jià)，以本領(lǐng)域眾所周知的方法進(jìn)行，將氮摻雜多孔材料壓成電極片，采用循環(huán)伏安的方法進(jìn)行測試。?

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：?

(1)本發(fā)明前期選用有序微孔分子篩為模板、采用二步法制備氮摻雜多孔碳，使得氮摻雜多孔碳材料具有開放的孔道結(jié)構(gòu)和大量的微孔，保持了分子篩的微孔吸附特性，這有利于氫氣的吸附，是取得優(yōu)異儲氫性能的前提。?

(2)本發(fā)明前期選用有序微孔分子篩為模板、采用二步法制備氮摻雜多孔碳，使得氮摻雜多孔碳材料具有開放的孔道結(jié)構(gòu)和大量的微孔，同時(shí)還含有比較小的介孔，這有利于電荷的積累和電解液的傳輸，是取得優(yōu)異電化學(xué)性能的前提。?

(3)本發(fā)明方法獲得的儲氫材料其低溫儲氫量明顯增加，并且具有非常好的可逆吸附性能。?

(3)本發(fā)明采用的前驅(qū)物中含有氮原子，氮原子的引入有利于提高其電容性能，使得電極材料其比電容量明顯增加，并且其穩(wěn)定性得到較好的保持。?