[發明專利]一種元素摻雜三維多孔碳材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811129900.0
• 申請日: 2018-09-27
• 公開（公告）號: CN109019559B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 韋麗玲;曹春;翟奇然;劉建亭;沈建權
• 申請（專利權）人: 中國科學院化學研究所
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;B01J27/24;H01G11/32;H01G11/24;H01M4/583;H01M4/96;B01J20/20
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 關暢;王春霞

本發明公開了一種元素摻雜三維多孔碳材料及其制備方法與應用。該材料為元素摻雜三維多孔碳結構；材料的摻雜元素包括N、P、S、B、Fe、Co、Ni。它的制備方法，包括如下步驟：1)聚丙烯腈偕胺肟化，得到聚丙烯基偕胺肟；2)在水中，聚丙烯基偕胺肟與待摻雜源進行相互作用，得到聚丙烯基偕胺肟?待摻雜源復合材料；3)將聚丙烯基偕胺肟?待摻雜源復合材料進行碳化，即得到元素摻雜三維多孔碳材料。本發明制備方法中無需模版和造孔劑，消除了模版和造孔劑的負面影響，綠色環保，且提高三維多孔碳的制備重復性，簡化了制備流程，降低了制備成本。待摻雜元素與原料在分子尺度上復合，摻雜效率高，摻雜更均勻，所得三維多孔碳材料性能穩定。

技術領域

本發明涉及一種元素摻雜三維多孔碳材料及其制備方法與應用，屬于多孔碳材料制備技術領域。

背景技術

三維多孔碳材料具有高比表面積、化學穩定性及良好的導電性，具有諸多的應用領域。在三維多孔碳材料中進行元素摻雜，引入金屬(Fe、Co、Ni、Mn、Ti、W等)及非金屬(B、N、P、S等)元素可以賦予三維多孔碳材料獨特的電化學特性及物理特性，其可以廣泛地應用于環境、能源、催化及軍事等熱門領域。

三維多孔碳的制備原料廣泛，主要包括天然生物質(木質素、纖維素、甲殼素、蛋白質等)、有機高分子(聚苯胺、聚吡咯等)、各種煤及石油副產物(煤渣、煤灰、瀝青等)。為了在三維多孔碳中獲得更好的多孔性和更大的比表面積，在碳材料的制備過程中，往往需要在上述原料中加入模版(例如二氧化硅、聚苯乙烯小球等)或者造孔劑(氫氧化鈉、氫氧化鉀等)。在碳化完成后，需要后處理步驟來去除模版或者造孔劑。后處理過程工藝復雜，重復性不好，耗時耗力，且對三維多孔碳材料的性能具有負面影響。另外，在多孔碳中引入摻雜元素時，傳統的方法是通過物理共混的方式來達到摻雜效果，該方式摻雜效率低，摻雜不均勻，使得碳材料的性能不穩定。

發明內容

本發明的目的是提供一種元素摻雜三維多孔碳材料及其制備方法與應用，本發明制備方法中無需模版和造孔劑，消除了模版和造孔劑的負面影響，綠色環保，且提高三維多孔碳的制備重復性，簡化了制備流程，降低了制備成本。待摻雜元素與原料在分子尺度上復合，摻雜效率高，摻雜更均勻，所得三維多孔碳材料性能穩定。

本發明提供的一種元素摻雜三維多孔碳材料，其特征在于：該材料為元素摻雜三維多孔碳結構；

所述材料的摻雜元素包括N、P、S、B、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Ti、W和Mo中的一種或幾種。

上述的材料中，所述材料中碳的質量百分含量為50～99.9％，摻雜元素的質量百分含量可為0.01～50％。

所述材料中碳的質量百分含量具體可為89％、92％、89～92％或70～99％，摻雜元素的質量百分含量具體可為8％、11％、8～11％或1～30％；

具體地，摻雜元素具體包括N、Fe、O，質量百分含量分別可為4.5％、1.2％、5.3％；摻雜元素具體包括N、Co、O，質量百分含量分別可為3.5％、0.5％、4％。

上述的材料中，所述元素摻雜三維多孔碳結構的孔徑分布可為100～1000nm，具體可為100～500nm、150～400nm，比表面積可為100～2000m^-2g^-1，具體可為673m^-2g^-1、729m^-2g^-1、600～800m^-2g^-1、600～800m^-2g^-1、500～1000m^-2g^-1或200～1500m^-2g^-1；

所述摻雜元素的化學組分形態為單原子摻雜、多原子團簇和晶相化合物中的一種或幾種。