[發(fā)明專利]多種雜原子共摻雜的中空多孔碳材料、其制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810028693.3
• 申請日: 2018-01-12
• 公開（公告）號: CN108383098B
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張登松;方建慧;施利毅;張靜;顏婷婷
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B21/02;H01G9/042;H01G11/34;C02F1/469;C02F103/08
• 代理公司: 上海上大專利事務(wù)所(普通合伙) 31205
• 代理人: 顧勇華

本發(fā)明涉及一種多種雜原子共摻雜的中空多孔碳材料、其制備方法及其應(yīng)用。該方法首先以金屬有機框架為結(jié)構(gòu)模板和氮源，再加入兩種含氮、磷和硫雜原子的反應(yīng)物，這兩種反應(yīng)物在金屬有機框架化合物表面進行原位聚合反應(yīng)，同時摻入氮、磷和硫雜原子。這種復(fù)合物具有與純的金屬有機框架化合物晶體相類似的幾何外形，經(jīng)過高溫煅燒、鹽酸水溶液反應(yīng)除去金屬氧化物，即可得到多種雜原子共摻雜的中空多孔碳材料；將復(fù)合材料、乙炔黑及聚四氟乙烯乳液混合均勻后涂覆在石墨紙上，烘干即制得電容脫鹽電極。本發(fā)明操作簡單、條件易控，可大批量合成，所得的電極具有高比表面和良好導(dǎo)電性、潤濕性，在電容脫鹽方面擁有潛在應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種多種雜原子共摻雜的中空多孔碳材料、其制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

淡水資源短缺是本世紀全球面臨的最大資源危機之一，海水與苦咸水脫鹽淡化技術(shù)作為有效解決該危機的重要途徑，已引起社會廣泛關(guān)注。現(xiàn)有的脫鹽方法主要有蒸餾法和膜法。蒸餾法操作溫度高，能耗較大，鍋垢危害及腐蝕嚴重；膜法對膜性能要求嚴格，膜損壞率高且費用昂貴。另外，這些脫鹽方法均存在能耗高的缺點，即便是耗能最低的反滲透膜法，其能耗也是理論值的十倍左右。因此，研發(fā)能耗低、成本低的脫鹽技術(shù)是時代的需求。電容脫鹽是一種基于雙電層電容遠離的全新脫鹽技術(shù)。該方法能耗低、脫鹽效率高，對環(huán)境友好?？蓱?yīng)用于海水和苦咸水的淡化、以及工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活用水的軟化等方面，其發(fā)展空間和應(yīng)用前景廣闊。

基于電容脫鹽的原理具有比表面積大、空隙發(fā)達、導(dǎo)電性好的電極材料成為獲得高電容脫鹽性能的關(guān)鍵。多孔碳材料由于具有高的比表面積、良好的導(dǎo)電能力、獨特的化學(xué)穩(wěn)定性、孔結(jié)構(gòu)易控制和導(dǎo)電性好等特點，一直是電容脫鹽裝置電極材料的首選。金屬- 有機骨架(metal-organic frameworks，MOFs) 化合物具有高的比表面積、大的孔容以及可調(diào)的孔道結(jié)構(gòu)，最近被證實能作為碳前軀體或模板來制備多孔碳材料（Chaikittisilp W, HuM, Wang H, Huang H S, Fujita T, Wu K C W, Chen L C, Yamauchi Y, Ariga K,Nanoporous carbons through direct carbonization of a zeolitic imidazolateframework for supercapacitor electrodes, Chem. Commun. 2012, 48(58): 7259-7261）。這類多孔碳材料具有制備方法簡單、電化學(xué)性能優(yōu)異等特點。對于電容脫鹽技術(shù)而言，除了電極材料的高比表面積、高有序結(jié)構(gòu)，電極材料的導(dǎo)電性也非常關(guān)鍵。有大量研究發(fā)現(xiàn)在多孔碳材料中引入雜原子，如硼、氮、磷、硫或氧等元素可以顯著地增加碳材料的表面官能團，改善其機械、導(dǎo)電或電化學(xué)性能(Iyyamperumal E, Wang S Y, Dai L M,Vertically Aligned BCN Nanotubes with High Capacitance, ACS Nano 2012, 6(6):5259-5265)，從而賦予該材料獨特的機械、電子、光學(xué)、半導(dǎo)體、儲能等性質(zhì)，使其廣泛應(yīng)用于超級電容器的電極材料，吸附劑、儲氫和催化等領(lǐng)域。顯然，在碳材料中摻入更多的雜原子可以提供多官能團或者多原子協(xié)同效應(yīng)，進而提高碳材料的導(dǎo)電性和潤濕性。然而，電容脫鹽電極材料中主要是氮摻雜，以及少量的氮、磷共摻雜的碳材料，幾乎沒有關(guān)于三元素摻雜的碳材料的報道。

沸石咪唑酯骨架材料(Zeolitic Imidazolate Frameworks, ZIFs) 是由過渡金屬和咪唑配位基形成類似于沸石結(jié)構(gòu)的三維四面體框架。ZIFs 的高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性以及咪唑配位基中富含的氮源，使其成為制備性能優(yōu)異的氮摻雜多孔碳的理想前驅(qū)體。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的之一在于是針對上述問題，提供一種用于雙電層電容脫鹽法進行海水淡化處理的多種雜原子共摻雜的中空多孔碳材料。

本發(fā)明的目的之二在于提供該中空多孔碳材料的制備方法。

本發(fā)明的目的之三在于提供該中空多孔碳材料在制備多種雜原子共摻雜的中空碳基電容脫鹽電極中的應(yīng)用。