[發(fā)明專利]一種金屬-氮摻雜多孔碳微球的制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610988843.6
• 申請(qǐng)日: 2016-11-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106744786B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-08-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韓生;付寧;韋煥明;陳海軍;藺華林;馮晨萁;江新澤;蘭國(guó)賢;劉金寶;喻寧波;余偉萍;何抗抗;馬文飛;錢煒;劉玉萍;任濟(jì)夫
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05
• 代理公司: 上海精晟知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31253
• 代理人: 楊軍

本發(fā)明公開(kāi)了一種金屬?氮摻雜多孔碳微球的制備方法。本發(fā)明以4?乙烯基吡啶單體(4VP)為碳氮源，以不同金屬鹽為引發(fā)劑、配位劑、催化劑和模板劑，首先以金屬鹽為引發(fā)劑使得4VP單體在常溫下發(fā)生聚合，金屬離子與4VP分子中的氮原子形成金屬?配位結(jié)構(gòu)，形成金屬?有機(jī)物微球；隨后在高溫下，微球中的金屬又起到了催化劑和模板劑的作用，使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為碳，且球狀結(jié)構(gòu)得以保留，再經(jīng)酸洗即得金屬?氮摻雜多孔碳微球。本發(fā)明金屬源可選擇性廣，步驟簡(jiǎn)單，制備的氮摻雜多孔碳材料比表面積大、氮元素含量高。大的比表面積和高的氮元素含量使得本材料在能量存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換、催化和環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體的說(shuō)，涉及一種金屬-氮摻雜多孔碳微球的制備方法。

背景技術(shù)

多孔碳具有原料來(lái)源廣，物理化學(xué)穩(wěn)定性好，比表面積大，孔容大，導(dǎo)電性好，耐高溫，耐酸堿等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電極材料、催化及催化劑載體、氣體吸附分離和水凈化等諸多領(lǐng)域。研究表明，影響多孔碳性能的主要因素有孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)，多孔碳表面化學(xué)性質(zhì)的研究成為熱點(diǎn)，主要是將雜原子引入碳骨架中，如N、O、B、S、P等。碳骨架中引入雜原子，使碳層中石墨微晶平面層產(chǎn)生諸多位錯(cuò)、彎曲、離位等具有不成對(duì)電子的缺陷位；同時(shí)雜原子可形成局部的表面官能團(tuán)，使碳材料表面具有酸堿性，這些共同提高碳材料相應(yīng)性能。目前，關(guān)于摻雜，氮摻雜由于氮源廣泛且易于引入碳基體而引起廣大研究者的興趣愛(ài)好。

根據(jù)氮原子與碳原子的結(jié)合形式不同，可將材料中的氮原子分為化學(xué)氮摻雜和結(jié)構(gòu)氮摻雜。化學(xué)氮摻雜是指氮原子以表面官能團(tuán)的形式存在碳材料表面，為材料提供B-堿位點(diǎn)，如氨基等表面含氮官能團(tuán)，此類含氮官能團(tuán)堿性強(qiáng)，較易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但其穩(wěn)定性差，高溫易分解易脫落。結(jié)構(gòu)氮摻雜是將氮原子直接引入到碳骨架中與碳原子鍵合，增強(qiáng)材料的L-堿性，如吡啶氮，吡咯氮，石墨化氮，氧化吡啶氮等，此類氮穩(wěn)定性強(qiáng)。表面氮摻雜型多孔碳的制備方法是預(yù)先合成的炭材料，用適當(dāng)?shù)谋砻嫘揎梽┻M(jìn)行浸漬，熱處理，從而引入含氮官能團(tuán)，常用表面修飾劑包括：三聚氰胺，尿素，NH₃等。結(jié)構(gòu)氮摻雜型多孔碳的制備方法是直接將氮原子引入碳骨架中，通過(guò)高溫碳化獲得氮摻雜多孔碳，該方法所得材料中氮元素分布均勻，且主要以結(jié)構(gòu)氮摻雜的形式存在。常用原料有乙腈、聚丙烯腈、聚吡咯、三聚氰胺、苯胺、含氮離子液體、殼聚糖、氨基葡萄糖及富氮生物質(zhì)等。

發(fā)明內(nèi)容

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種簡(jiǎn)單的金屬-氮摻雜多孔碳微球的制備方法。

本發(fā)明以4-乙烯基吡啶單體(4VP)為碳氮源，以多種金屬鹽為引發(fā)劑、配位劑、催化劑和模板劑成功制備出金屬氮摻雜多孔碳微球。本發(fā)明的實(shí)施過(guò)程敘述如下：以金屬鹽為引發(fā)劑使得4VP單體在常溫下發(fā)生聚合，同時(shí)金屬離子還與4VP分子中的氮原子形成金屬-配位結(jié)構(gòu)，經(jīng)干燥形成金屬-有機(jī)物微球。高溫條件下，微球中的金屬起到了催化劑和模板劑的作用使有機(jī)物轉(zhuǎn)化為碳，且球狀結(jié)構(gòu)得以保留，再經(jīng)酸洗即得到含有金屬的氮摻雜多孔碳微球。

本發(fā)明具體的技術(shù)方案通過(guò)以下步驟實(shí)施：

本發(fā)明提供一種金屬-氮摻雜多孔碳微球的制備方法，具體步驟如下：

(1)配制4VP/無(wú)水乙醇溶液：將4-乙烯基吡啶4VP和無(wú)水乙醇混合、攪拌，得到4VP/無(wú)水乙醇溶液；

(2)配制金屬鹽溶液：將金屬鹽和無(wú)水乙醇混合、攪拌得到金屬鹽/無(wú)水乙醇溶液；所述金屬鹽是鐵鹽、銅鹽、鎂鹽、鎳鹽、鈷鹽、鈰鹽或者鑭鹽中任一種；

(3)金屬-有機(jī)物微球的制備：室溫下，將4VP/無(wú)水乙醇溶液與金屬鹽/無(wú)水乙醇溶液混合，形成配合物沉淀，然后經(jīng)離心分離、真空干燥即得金屬-有機(jī)物微球；

(4)碳化：將金屬-有機(jī)物微球置于管式爐中碳化，冷卻后取出，得到金屬-氮摻雜碳微球；

(5)酸洗：將金屬-氮摻雜碳微球用酸洗滌，再用水洗，過(guò)濾、真空干燥得到金屬-氮摻雜多孔碳微球。