[發明專利]一種氮或金屬摻雜碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 201710056827.8
• 申請日: 2017-01-25
• 公開（公告）號: CN106915735B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 田植群;張瀟然;沈培康;劉宗;呂丹丹;梁立喆;尹詩斌
• 申請（專利權）人: 廣西大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/205;C01B32/914
• 代理公司: 南寧市吉昌知識產權代理事務所(普通合伙) 45125
• 代理人: 林鵬

本發明公開了一種氮或金屬摻雜碳材料的制備方法，包含以下操作步驟：(1)采用2，6?二乙酰基吡啶與2個或2個以上的氨基單體，在溶劑、催化劑和惰性氣體保護的條件下，反應，形成亞氨基吡啶配體聚合物；(2)將步驟(1)所得亞氨基吡啶配體聚合物在惰性氣體保護下，進行熱裂解處理，得到氮摻雜碳材料，后處理，即得。本發明制備所得氮或金屬摻雜碳材料的制備方法的含氮重量約占0.5％～10％，熱裂解聚合物后得到產品的產率為29～57％，產品BET約300m²/g至1500m²/g，用作超級電容時表現出大的電容特征，用作鋰電池電極材料時，表現出良好的儲鋰性能和循環穩定性能。

技術領域

本發明屬于電化學能源材料技術領域，具體涉及一種氮或金屬摻雜碳材料的制備方法。

背景技術

碳是自然界來源最為廣泛的元素之一，存在多種同素異形體類型，結構從一維到三維。碳是一種理想的基體材料，具有成本低，導電性良好，比表面積大，結構及穩定性好等優點而廣泛應用在能源材料、醫用材料、催化材料中。對于氮摻雜材料而言，氮原子比碳原子多一個價電子，氮原子的摻入改變了周圍碳原子的電子結構和能帶隙，使碳材料的導電形式發生改變，使得自由載流子數量增加；氮摻雜進入六元環結構后可形成吡啶型，吡咯型及石墨型等含氮官能團，這些官能團可提高碳材料表面活性，還可對其電子結構進行調節，且氮原子的尺寸大小及電負性均與碳原子不同，在材料內部造成電荷的重新排布及因摻雜引起的晶體缺陷。同時，摻雜原子可引起自旋再分配從而產生新的更為優異理化性能，可作為具有吸附金屬原子能力的活性位，增強金屬原子與碳原子間的相互作用。所以，氮碳摻雜方面的研究吸引了眾多科學工作者的目光。

目前研究的摻氮碳材料主要應用在燃料電池、鋰離子電池和超級電容器等領域。摻氮碳材料在超級電容器方面的應用也引起了人們的廣泛關注，超級電容是一種新型儲能裝置，其比能量大，質量輕，充放電效率高，且可充放電次數多，與二次電池相比，具有功率更高，循環穩定性更好的優點，而摻氮碳材料具有導電率高，比表面積大，抗腐蝕性能好，穩定性好等優點。將摻氮碳材料應用于超級電容器，氮原子很容易進入碳材料中，氮原子的摻入可作為電子供體，增大電容，也能潤濕碳材料。在超級電容中可增大雙電層面積，增加電容器的能量存儲，且相容性良好，是一種優秀的超級電容器電池材料，如電沉積法制備聚苯胺納米纖維，制備含氮碳化物用于超級電容器中，明顯提高電容和導電率，目前廣泛應用的摻氮碳材料有摻氮活性炭和摻氮石墨烯。

摻氮碳材料一般以化學氮和結構氮的形式存在于活性炭中，化學氮存在于炭表面，以氨基、亞硝基的形式存在，而結構氮占據著碳骨架位置。氮摻雜碳材料的制備方法一般有原位摻氮法，后處理法和直接合成法[Adv.Funct.Mater.,2012,22,1069.]。原位摻氮法是以富氮前驅體作為氮源與碳源，如選用聚吡咯、聚苯胺等高聚物以及葡萄糖、蔗糖等，當使用氣體乙腈時，用化學氣相沉積法或模板法制得多孔結構材料[Nature,2010,468,549.]。后處理法是在具備碳源時摻入氮源，如引入氨氣、乙二胺等富氮化合物，后處理時通過熱處理法，等離子體處理法和水合肼處理法得到。如氮原子摻入石墨烯中，以吡啶氮，吡咯氮和石墨氮形態存在。直接合成法如化學氣相沉積法[ACS Nano,2012,6,5259.]，是在硅基板上附著銅，在氫氣800℃的氛圍下化學氣相沉積得到摻氮石墨烯。隔離生長法、溶劑熱法，如以尿素作為氮源，與氧化石墨烯液相混合后，冷凍干燥除水，在惰性氣體氛下經600℃熱處理得到摻氮石墨烯[Adv.Ener.Mater.,2012,2(7):884-888.]。電弧放電法，在氫氣和氮源氛圍中，碳電極之間進行電弧放電得到摻氮碳材料。其它還有等離子體放電法，在氨氣下微波加熱石墨，獲得摻氮石墨烯。