[發明專利]一種鐵/氮共摻雜有序介孔碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 201610942210.1
• 申請日: 2016-10-26
• 公開（公告）號: CN106517136B
• 公開（公告）日: 2017-09-05
• 發明（設計）人: 隋麗娜;于立巖;康洪權;董紅周;董立峰
• 申請（專利權）人: 青島科技大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05
• 代理公司: 北京冠和權律師事務所11399
• 代理人: 李建華

技術領域

本發明屬于介孔碳材料技術領域，具體地說，涉及一種鐵/氮共摻雜有序介孔碳材料的制備方法。

背景技術

介孔碳是一種新型的非硅基介孔材料，由于其具有較大的表面積(可高達2500 m²/g)、孔體積(2.25 cm³/g)和良好的導電性，在催化劑載體、儲氫材料、電極材料等領域有著良好的應用前景。介孔碳材料可以用于雙電層電容器的制備，這種雙電層電容器的電荷儲量，普遍高于金屬氧化物粒子組裝之后的電容量，也高于市場上常見的金屬氧化物雙電層電容材料。同時介孔碳材料所具有的較高的比表面積、特定的孔徑尺寸、良好的導電性和高熱穩定性，使其在雙電層電容器開發應用方面有著巨大的應用潛力。

有序介孔碳改性的目的是在有序介孔碳表面或者骨架中引入所需要的官能團與雜原子，改變有序介孔碳的表面性質。在有序介孔碳表面與骨架引入氮雜原子是有序介孔碳主要改性方法之一。有序介孔碳中引入氮原子可以改善材料的浸潤性、生物兼容性和導電性。氮摻雜介孔碳由于其優異的物理和化學性能，在超級電容器、燃料電池、儲氫、催化劑載體等領域具有巨大的應用前景。研究氮摻雜對介孔碳形態和電化學性能的影響及其機理極具科學價值和和現實意義。

以酚醛樹脂為碳源制備的有序介孔碳主要為無定形碳，導電性能差，電容量低，而當碳以石墨的形式即石墨化碳存在時具有良好的導電性，所以有序介孔碳的石墨化可以提高其導電性，從而可以用作電極材料。研究表明在有序介孔碳材料上負載Fe后，可以在較低溫度下實現介孔碳的石墨化，從而提高介孔碳的導電性，使得介孔碳可以更好的應用于電化學研究。

然而，現有介孔碳材料的制備方法存在制備模板的過程復雜冗長、硬模板的去除過程使得實驗過程較繁瑣、前驅體與模板的融合性較差等，因而亟需一種操作簡便且條件可控的介孔碳材料的制備方法。

發明內容

本發明目的是提供了一種鐵/氮共摻雜有序介孔碳材料的制備方法，所述介孔碳材料具有有序的三維孔道結構和較高的比電容。

為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案予以實現：

一種鐵/氮共摻雜有序介孔碳材料的制備方法，其制備步驟如下：以三嵌段共聚物F127作為模板劑，在酸性條件下加入硅源-正硅酸四乙酯、碳源-酚醛樹脂、氮源1-尿素、氮源2-吡咯單體及鐵源-三氯化鐵，采用溶劑揮發誘導自組裝的方法一步合成具有三維多孔結構的膠束，經高溫碳化、氫氟酸刻蝕后得到有序介孔碳材料。

可選地，制備步驟具體如下：

（1）碳源-酚醛樹脂的制備：以甲醛、苯酚為原料合成甲階酚醛樹脂，并配制成酚醛樹脂的無水乙醇溶液；

（2）鐵/氮共摻雜：將1.3 g-1.9 g模板劑F127（聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯，PEO₁₀₆PPO₇₀PEO₁₀₆）溶于6 g-10 g的無水乙醇中，緩慢滴加適量鹽酸溶液，攪拌均勻，加入0.1 g-0.3 g尿素、1 g-3 g正硅酸四乙酯（TEOS）、3 g-7 g 酚醛樹脂的無水乙醇溶液（15 wt%-25 wt%），繼續攪拌后，將0.5 ml-2 ml吡咯單體、5 ml-15 ml三氯化鐵溶液（0.289 M）緩慢滴加到混合溶液中，保持溫度攪拌一段時間后，將上述混合溶液置于表面皿中，室溫干燥；

（3）高溫熱縮聚：將表面皿置于烘箱中高溫熱聚；

（4）碳化刻蝕：樣品置于管式爐中氮氣氣氛下高溫煅燒后，在氫氟酸溶液中浸泡后，離心洗滌，干燥，得有序介孔碳材料。

所述步驟（1）中，所用酚醛樹脂是在反應溫度為65-75 ℃下，通過苯酚與甲醛在堿性條件下縮聚制得的。

其中反應溫度優選為70℃，酚醛樹脂的無水乙醇溶液的質量分數為15 wt%-25 wt%，優選為20 wt%。

步驟（2）中，攪拌溫度為38-50 ℃，優選為40 ℃。

步驟（2）中，F127的質量優選為1.6 g，無水醇溶液質量優選為8 g。

步驟（2）中，尿素作為氮源1，其質量優選為0.2 g，正硅酸四乙酯作為硅源，其質量優選為2.08 g。吡咯單體作為氮源2，FeCl₃作為鐵源，加入后攪拌時間為1 h-3 h，優選為2 h。

步驟（2）中吡咯單體與FeCl₃的摩爾比為10:1-5，摩爾比優選為10:1、10:2、10:3。

步驟（3）中，高溫熱縮聚的溫度為 90-110℃，優選為100 ℃，熱聚時間為16-32h，優選為24 h。