[發(fā)明專利]一種氮摻雜多孔炭材料、制備方法及其用途

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310301022.7
• 申請日: 2013-07-17
• 公開（公告）號: CN103406096A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 趙麗;馬東興;毛立娟;肖沛文;韓寶航
• 申請（專利權(quán)）人: 國家納米科學(xué)中心
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/30;B01D53/02;C01B31/02
• 代理公司: 北京品源專利代理有限公司 11332
• 代理人: 鞏克棟

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氮摻雜多孔炭材料的制備方法、通過該方法制備的氮摻雜多孔炭材料以及該氮摻雜多孔炭材料的應(yīng)用。

背景技術(shù)

炭材料具有高比表面積、大孔容、化學(xué)惰性、熱穩(wěn)定性好、機(jī)械強(qiáng)度高和成本低等特點(diǎn)，在水和氣體凈化、氣體儲存、電極材料、生物載體和催化劑載體等方面有良好的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)炭材料制備方法主要有石墨電弧法、化學(xué)氣相沉積法、激光蒸發(fā)法、熱解聚合物法和模板法。

（1）石墨電弧法：用石墨棒作為陰陽極，氨氣或者氦氣作為惰性氣體，儀器工作時電極上產(chǎn)生高溫，陽極石墨被蒸發(fā)消耗的同時，陰極上沉積出所要得到的炭材料。

（2）化學(xué)氣相沉積法：將氣態(tài)原料導(dǎo)入同一個反應(yīng)室內(nèi)，然后原料之間相互發(fā)生反應(yīng)，形成所需的炭材料，并沉積在晶片上。

（3）模板法：將碳的前驅(qū)體引入到模板劑的孔道中，在合適的條件下，碳前驅(qū)體發(fā)生炭化，然后將模板劑除去即可得到所需的炭材料。

近年來，對炭材料進(jìn)行雜原子摻雜越來越受到關(guān)注，其中含氮官能團(tuán)主要通過兩種方式引入：一種是以有機(jī)碳化合物為原料在苛刻的條件下合成炭材料，然后對得到的炭材料在含氮的氣體（如氨氣）或液體氛圍下下進(jìn)行高溫處理；另外一種是以有機(jī)氮化物為前驅(qū)體進(jìn)行化學(xué)氣相沉積制備。

傳統(tǒng)的制備氮摻雜炭材料的工藝條件都有其明顯的弊端，比如原料來源有限，工藝條件苛刻，成本高等。因此，探索一種以廉價原材料通過簡單綠色的合成過程來制備氮摻雜多孔炭材料的新方法成為必然趨勢。

水熱炭化法(Hydrothermal?Carbonization，HTC)是一種綠色、可持續(xù)性的合成方法，可以將生物質(zhì)在溫和的反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)化為功能化炭材料。水熱炭化法是指是指在密閉的容器中，以水作溶劑，以生物質(zhì)衍生物作為炭源，在一定溫度和壓力下，使反應(yīng)體系達(dá)到亞臨界或超臨界流體狀態(tài)，以促進(jìn)常溫常壓下難以反應(yīng)的生物質(zhì)快速分解轉(zhuǎn)化形成各種炭材料的過程。如以糖類、淀粉、纖維素或純生物質(zhì)廢棄物（如甜菜根、松針、橡樹葉、桔子皮、草）等作為起始原料，通過水熱炭化過程可以得到一系列不同形貌的炭材料((1)Hu,B.;Wang,K.;Wu,L.;Yu,S.-H.;Antonietti,M.;Titirici,M.-M.Engineering?Carbon?Materials?from?the?Hydrothermal?Carbonization?Process?of?Biomass.Adv.Mater.2010,22(7),813-828;(2)Titirici,M.-M.;Thomas,A.;Yu,S.-H.;Müller,J.-O.;Antonietti,M.A?Direct?Synthesis?of?Mesoporous?Carbons?with?Bicontinuous?Pore?Morphology?from?Crude?Plant?Material?by?Hydrothermal?Carbonization.Chem?Mater.2007,19(17),4205-4212.)。該制備工藝以其綠色環(huán)保、成本低廉、反應(yīng)條件溫和、無毒以及可大規(guī)模應(yīng)用于生產(chǎn)等特點(diǎn)，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究。

現(xiàn)有技術(shù)中尚無基于模板法的水熱炭化法制備氮摻雜炭材料的報(bào)道。基于已報(bào)道的模板法制備炭材料的方法中，均側(cè)重材料孔道結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑，而對于表面官能團(tuán)修飾或雜原子摻雜的材料缺少研究。據(jù)我們所知，目前，尤其是氮源和模板劑共存于一種原料中，通過水熱法來制備氮摻雜炭材料的研究更是一個空白。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于填補(bǔ)以模板法制備氮摻雜多孔炭材料，尤其是其中氮源和模板劑沒能共存于一種原料的空白，提供一種更為簡單的以含氮高分子聚合物為模板通過軟模板法制備具有較高含氮量的氮摻雜多孔炭材料的方法，而且含氮基團(tuán)在低溫的水熱反應(yīng)過程中就摻雜到了材料的結(jié)構(gòu)中。同時，該發(fā)明還提供了該炭材料在二氧化碳吸附中的應(yīng)用。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種氮摻雜多孔炭材料的制備方法，所述方法以含氮高分子同時作為模板劑和氮源，采用水熱炭化法制備得到氮摻雜多孔炭材料。

優(yōu)選地，在本發(fā)明提供的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，所述方法以含氮高分子同時作為模板劑和氮源，以生物質(zhì)衍生物為碳源，在水熱條件下發(fā)生水熱炭化反應(yīng)，然后除去模板劑，得到氮摻雜多孔炭材料。