[發明專利]一種摻雜型碳氣凝膠材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201810048841.8
• 申請日: 2018-01-18
• 公開（公告）號: CN108238596B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 隋竹銀;曾凡月;韓寶航
• 申請（專利權）人: 國家納米科學中心
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J20/20;B01J20/28;B01D53/02;H01G11/32
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 王文君;王文紅

本發明提供一種摻雜型碳氣凝膠材料，所述摻雜型碳氣凝膠材料具有多孔結構，所述摻雜型碳氣凝膠材料內摻有雜原子，所述雜原子為氮雜原子、硫雜原子、磷雜原子中的一種或多種，所述摻雜型碳氣凝膠材料的比表面積為1000～3000m²/g。本發明還出所述摻雜型碳氣凝膠材料的制備方法和應用。本發明提出的摻雜型碳氣凝膠材料具有比表面積大、孔徑寬等特性，摻雜型碳氣凝膠材料具有高比表面積、大孔容、三維多孔結構、優異的氣體吸附性能以及電化學性能。試驗表明，本材料在273K和1.0bar條件下吸附量為50～300mg/g。本材料制成的電容器，在電流密度為0.1～10A/g時，電化學電容為50～250F/g。

技術領域

本發明屬于多孔材料領域，具體涉及一種摻雜的多孔碳材料及其制備和應用。

背景技術

碳基功能材料由于具有較好的導電性，優異的熱穩定性和化學性質等多種突出特征而被廣泛研究。這些特性使它們成為能量儲存/轉化、氣體吸附、水處理和催化等領域中有競爭力的材料。對于上述大多數應用來說，高孔隙率是一種非常關鍵的性質。因此，制備高孔隙率的碳基功能材料是非常有必要的。碳氣凝膠是一類三維多孔碳材料，通常具有高比表面積、大孔體積和相互連通的多孔結構。目前，已經有文章報道了以石墨烯、碳納米管、酚醛樹脂、間苯二酚-甲醛、細菌纖維素、葡萄糖和果糖等前驅體來制備碳氣凝膠。

為了進一步提高碳氣凝膠的性能，可以通過改變碳表面的局部電子分布和鍵合環境，比如，將氮、硫、硼或磷等雜原子引入到碳骨架中。特別是對于氮摻雜，許多文獻都強調了氮摻雜的重要性，并且證實了氮摻雜碳氣凝膠的組成和性質之間的相關性。例如，White等人以葡萄糖和卵清蛋白為前驅體，通過水熱碳化和熱處理制備了一種氮摻雜碳氣凝膠。這種碳氣凝膠具有高比表面積(240～480m²/g)和可調的表面化學性質(Green Chem.2011,13,2428-2434)。

雖然各種碳氣凝膠已被廣泛研究，但大多數碳氣凝膠的制備過程通常需要使用特殊的干燥方法，如超臨界二氧化碳干燥或冷凍干燥。這些特殊的干燥方法是必不可少的，因為氣凝膠前驅體在常規干燥中不能承受住由液體表面張力引起的毛細作用力。然而，這些方法也有其局限性，他們不僅耗時而且通常需要嚴格的條件。尤其是對于超臨界二氧化碳干燥，需要提供高壓的環境。上述缺點阻礙了碳氣凝膠的實際應用。因此，迫切需要開發一種降低生產成本，可制備廉價碳氣凝膠的有效方法。最近，Yu等人報道了在高鹽條件下制備具有高比表面積(1340m²/g)的碳氣凝膠的簡便方法。所制備的碳氣凝膠在水處理和儲能領域具有潛在的應用(Angew.Chem.,Int.Ed.2016,55,14623-14627)。然而，在高鹽條件下通過單體聚合制備摻雜型碳氣凝膠的工作還未有報道。

發明內容

針對現有技術存在的不足之處，本發明的目的是提出一種摻雜型碳氣凝膠材料。

本發明的第二個目的是提出所述摻雜型碳氣凝膠材料的制備方法。

本發明的第三個目的是提出所述摻雜型碳氣凝膠材料的應用。

實現本發明上述目的的技術方案為：

一種摻雜型碳氣凝膠材料，所述摻雜型碳氣凝膠材料具有多孔結構，所述摻雜型碳氣凝膠材料內摻有雜原子，所述雜原子為氮雜原子、硫雜原子、磷雜原子中的一種或多種，所述摻雜型碳氣凝膠材料的比表面積為1000～3000m²/g。

進一步地，所述摻雜型碳氣凝膠材料的多孔結構的孔容為0.2～2.0cm³/g；孔徑為0.4nm～50μm。

一種摻雜型碳氣凝膠材料的制備方法，包括如下步驟：

1)吡咯和醛類化合物單體在高鹽氯化鋅條件下進行聚合反應，生成含有氯化鋅的聚合物凝膠材料；將該凝膠材料進行干燥處理，得含有氯化鋅的聚合物塊體材料；