[發明專利]三維多孔碳材料、三維多孔摻氮碳材料、其制備方法和應用

有效

• 申請號: 201810001773.X
• 申請日: 2018-01-02
• 公開（公告）號: CN108083261B
• 公開（公告）日: 2019-12-17
• 發明（設計）人: 黃富強;王鵬;趙偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C01B32/05;H01G11/32;H01G11/26;H01M4/583;H01M10/0525
• 代理公司: 31261 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 曹芳玲;熊子君

本發明涉及三維多孔碳材料、三維多孔摻氮碳材料、其制備方法和應用。制備三維多孔碳材料的方法包括以下步驟：（1）將對苯二胺與對苯二甲醛均勻分散到有機溶劑中，在60～150℃水熱反應1～15小時，得到有機碳源的前驅體；（2）將所得有機碳源的前驅體置于含有氣相碳源和保護氣的氣氛中，在600～1000℃下熱處理0.5～6小時，得到三維多孔碳材料。得到的三維多孔碳材料孔徑主要分布在微孔范圍內，比表面積大，導電性能良好，是超級電容器的合適材料。

技術領域

本發明涉及一種三維多孔碳材料以及一種三維多孔摻氮碳材料、及其制備方法和應用，具體地涉及一種水熱法兼化學氣相沉積法制備孔徑可控的三維多孔碳粉體和三維多孔摻氮碳材料粉體的方法，該發明屬于材料領域。

背景技術

隨著科學技術的日益發展，人類生活水平逐漸提高，然而環境問題成為日益關注的焦點，主要包括三個方面：土壤污染，水體污染和大氣污染。特別是在大氣污染中，二氧化碳等溫室氣體的排放導致全球氣候變暖，冰雪融化使海平面上升，以至于物種滅絕等一系列問題。諸多問題都源于人類不能有效的利用能源，所以對能源的高效、低成本利用及儲存已成為二十一世紀人類發展的熱點問題，在全球引起了廣泛關注。作為綠色儲能方式的鋰電池以及超級電容器備受各界青睞，特別超級電容由于其具有功率密度大，能量密度適中，循環壽命長，操作安全方便，等優點，作為綠色的儲能系統吸引了廣大科研人員以及各國政府部門的特別關注，因此超級電容具有廣泛的應用前景。超級電容器電極材料種類很多，包括石墨烯，過渡金屬氧化物，金屬硫化物，導電高分子聚合物以及多孔碳材料。多孔碳材料具有質量輕、比表面積大、韌性高、模量高、穩定性好、耐溫高，耐酸堿、無毒、吸附能力好、易于加工等優良性能，因而被眾多領域所關注。近幾年來，碳材料學科的發展速度非常之快，特別是在新型綠色儲能器件——超級電容器中的研究與應用。與其他電極材料，諸如石墨烯、金屬氧化物、金屬硫化物等相比，碳材料制備方便、周期短、價格便宜。超級電容器的獨立支撐電極需具有較高的機械強度和大的電容，而三維多孔碳材料具有韌性高、模量高、穩定性好、耐溫高、化學穩定好、這些優良性能使多孔碳材料及多孔碳基材料成為超級電容器電極材料很有力的競爭者。Chen等于2009年發表了一篇以蔗糖為碳源與乙醇和去離子水共混后通過水熱合成法制備中孔碳微球，當其應用于超級電容器中比容量高達251F/g。近來，有研究者用硅膠和多孔玻璃為模板劑制備了球狀中孔碳材料，碳前驅體苯酚和十六胺在硅膠的空隙中發生聚合，再經過熱化處理、碳化、除模板等步驟得到中孔碳材料。也有研究者利用商用硅溶膠納米粒子為模板，間苯二酚和甲醛為碳源制備出中孔碳。但是這些傳統的模板法在多孔碳材料制備過程中程序繁瑣，需要先合成模板，難以控制材料的大孔結構，而且碳源容易沉積產生無孔碳材料。由此可見，如何實現低成本、方法簡單、孔徑可調的三維多孔碳材料制備方法尤為重要。

在眾多制備方法中多孔碳材料的制備方法主要有催化活化法、模板法、有機凝膠碳化法以及聚合物共混碳化法等。催化活化法制備碳材料孔徑難以控制，模板法可以制備出有序介孔碳材料，但是會導致含氧官能團的引入，導致其導電性不好，并且存在制備程序繁瑣，模板難以去除等問題，在有機凝膠碳化法中，碳源容易沉積產生無孔碳材料。雖然當前有很多種制備多孔碳材料的方法，但是由于當前種種方法程序繁瑣，價格高昂等缺點，很難實現大規模生產。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明的目的在于提供一種在制備過程中無需除模，方法簡單，成本低廉，可以實現大規模生產的制備三維多孔碳材料、三維多孔摻氮碳材料的方法，由該方法制備的高比表面積、微孔可調的三維多孔碳材料、三維多孔摻氮碳材料；以及它們的應用。

本發明人經研究發現，利用對苯二胺與對苯二甲醛水熱反應聚合，再經過碳化等一系列處理可以得到高比表面積，微孔可調的多孔碳材料。由于此方法不需要引入任何模板，因此在制備過程中無需除模，方法簡單，成本低廉，可以實現大規模生產。

第一方面，本發明提供一種制備三維多孔碳材料的方法，其包括：