[發(fā)明專利]一種氮、硼共摻雜多孔碳材料的制備方法

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• 申請日: 2018-11-07
• 公開（公告）號: CN109110759A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發(fā)明（設計）人: 武大鵬;王銳;楊勇剛;劉寧;高志永;徐芳;蔣凱
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348
• 代理公司: 新鄉(xiāng)市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發(fā)明公開了一種氮、硼共摻雜多孔碳材料的制備方法，將對硝基苯胺、硼酸和硫酸混合均勻后加熱反應，二次水洗滌并冷凍干燥后得到富含氮、硼的前驅體；將前驅體在氮氣氛圍下預碳化，并將所得預碳化產物與氫氧化鉀混合均勻后在氮氣氛圍下高溫活化，產物用稀酸浸泡洗滌，并用二次水洗滌后冷凍干燥，最后將所得樣品在氮氣氛圍下高溫石墨化處理得到具有氮、硼共摻雜多孔碳材料。本發(fā)明工藝環(huán)節(jié)簡捷，可一步在碳材料中引入氮、硼兩種摻雜元素，成本低廉，易于規(guī)模化生產。

技術領域

本發(fā)明屬于無機功能材料的合成技術領域，具體涉及一種氮、硼共摻雜多孔碳材料的制備方法。

背景技術

電雙層電容器由于具有高功率密度、充放電速率迅速和長的循環(huán)使用壽命等優(yōu)勢，近年來引起了極大的關注。碳材料因其強化學穩(wěn)定性、低成本、良好的導電性和豐富的結構而成為制備超級電容器的首選。多孔碳具有比表面積大、孔容大、物理化學性質穩(wěn)定等特點，廣泛應用于氣體分離、水處理、催化劑載體、電極材料等諸多領域。作為電極材料，影響其性能的主要因素包括孔結構及表面化學性質等，其中表面化學性質的調控是目前備受關注的一個方向，并有了大量的探索，雜原子摻雜便是其中較為常用的一種方法。由于雜原子摻雜而引入的雜原子官能團，能夠與電解液發(fā)生法拉第反應，進而引入贗電容，這不僅增強了電解質與電極之間界面的潤濕性，而且還提高了材料的能量密度。此外，碳骨架中的雜原子位點可以特異性提高其吸附、催化和儲能特性。因此，雜原子的摻雜對于多孔碳材料的改性具有重要的意義。氮或硼摻雜是比較常見的摻雜改性方法，這是由于氮和硼元素在元素周期表中臨近碳，與碳具有相近的原子直徑，因而在取代碳的過程中，材料結構不會發(fā)生明顯的畸形變化。氮或硼原子的摻雜可以有效調變碳材料的形態(tài)、結構和化學性能，進而改善材料在實際應用中所需特性。另外，氮和硼原子共摻雜時，雜原子間的電感耦合效應，相對于單摻雜提供了更多的活性位點。目前文獻中已報道的氮硼共摻雜多孔碳材料的制備方法中，公開號為CN108455559A的專利公開了 一種水熱法合成氮硼共摻雜多孔碳材料，但是該方法產率低、合成周期較長，并且難以批量重復。公開號為CN108439370A的專利公開了以尿素為結構模板，1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽為造孔劑和摻雜劑，葡萄糖為碳源，經煅燒和水熱過程得到產物，添加造孔劑法雖操作簡單，但在制備過程中，常常會出現氣孔的分布均勻性較差、造孔劑易團聚、材料內部常常出現閉孔較多等現象。公告號為CN103482608B的專利公開了一種利用煤的液化殘渣萃取物制備氮硼共摻雜多孔碳材料的方法，其溶劑選自正己烷、四氫呋喃、甲苯、糠醛、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙二胺、喹啉、液化輕質油和中質油中的若干種，環(huán)境危害大，可持續(xù)性較差，回收處理代價高昂。公開號為CN104961119A的專利公開了一種硼氮共摻雜空心碳納米籠的制備方法，其氮源來自吡啶、乙二胺、乙腈、芐胺、氨氣等，工藝使用的是有毒或環(huán)境不友好的試劑，而且難以批量制備。文獻（HongliangGuo，et al. J. Power Sources , 2009 , 186 (2) ，551-556）公開了一種用氮氣作為保護氣，熱分解含有硼的碳化凝膠前驅體，合成多孔硼和氮共摻雜碳材料的方法，合成過程中用到濃氨水調節(jié)溶液的酸堿度，導致環(huán)境負面影響，同時其處理工藝繁瑣，提高了工藝難度和生產成本。

發(fā)明內容

為了克服現有技術的不足，本發(fā)明在考慮上述問題的基礎上提供了一種過程簡單、便于規(guī)模化生產、環(huán)境負荷較小且一步引入氮硼元素的氮、硼共摻雜多孔碳材料的制備方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一種氮、硼共摻雜多孔碳材料的制備方法，其特征在于具體步驟為：

步驟S1：將對硝基苯胺、硼酸和硫酸混合均勻后于120℃加熱至完全膨化，再自然冷卻至室溫后用二次水反復洗滌干凈，并冷凍干燥后得到產物富含氮、硼的碳材料前驅體；