[發(fā)明專利]一種摻氮多孔碳及其制備方法和應(yīng)用

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811325564.7
• 申請(qǐng)日: 2018-11-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109573976A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鐘國(guó)玉;謝浩民;徐志豪;許三有;許書瑞;傅小波;孫成華;徐勇軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東莞理工學(xué)院
• 主分類號(hào): C01B32/05
• 分類號(hào): C01B32/05
• 代理公司: 廣州容大專利代理事務(wù)所(普通合伙) 44326
• 代理人: 劉新年

本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種摻氮多孔碳及其制備方法和應(yīng)用。所述制備摻氮多孔碳的方法包括以下步驟：S1：將綠豆粉加入水中，攪拌均勻后，再加入活化劑和尿素得到混合液；S2：將S1得到的混合液進(jìn)行攪拌，充分反應(yīng)后，再干燥，得到反應(yīng)物；S3：將S2中得到的反應(yīng)物在惰性氣體氛圍下進(jìn)行煅燒，煅燒后再進(jìn)行酸處理，得到摻氮多孔碳。該方法的原材料容易獲得、無(wú)毒無(wú)害、成本低；其次不需模板劑，且活化劑氯化鈣無(wú)腐蝕性；此外制備流程簡(jiǎn)單、設(shè)備要求低、過(guò)程環(huán)保，適合大規(guī)模的推廣應(yīng)用。以綠豆粉為原料通過(guò)簡(jiǎn)單的熱解法制備得到摻氮多孔碳具有較大的比表面積和大量的孔隙結(jié)構(gòu)，性能優(yōu)良。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種摻氮多孔碳及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

碳基材料在硬度、光學(xué)特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學(xué)藥品特性、電絕緣性、導(dǎo)電性、表面與界面特性等方面具有優(yōu)異的性能，在力學(xué)、能源、電子器件、催化等相關(guān)領(lǐng)域也受到廣泛的關(guān)注。

其中，多孔材料是指具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的碳材料，根據(jù)化學(xué)聯(lián)合會(huì)(IUPAC)的分類，將多孔材料分為三類：孔徑小于2nm的微孔材料、孔徑大于50nm的大孔材料和介于2～50nm的介孔材料。多孔材料具有高比表面積、高熱導(dǎo)率、高電導(dǎo)率、高穩(wěn)定性、高化學(xué)惰性和低密度等優(yōu)點(diǎn)，在超級(jí)電容器、催化載體、有機(jī)生物分子吸附載體等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

研究發(fā)現(xiàn)，若在碳材料中適當(dāng)?shù)負(fù)诫s其他元素，可以改變碳材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，從而使其物理、化學(xué)性質(zhì)優(yōu)于普通碳材料。雜原子摻雜可以提升碳材料性能，擴(kuò)大其在能量?jī)?chǔ)存、轉(zhuǎn)換裝置中的應(yīng)用潛力。摻氮介孔碳材料在堿液中表現(xiàn)出顯著的催化氧還原反應(yīng)活性和高的超級(jí)電容器比電容[梁群英,蘇紅,閆晶,等.催化學(xué)報(bào),2014,35(7):1078-1083.]。

雖然氮摻雜的碳材料由于其優(yōu)異的性能越來(lái)越受到研究者的關(guān)注，然而傳統(tǒng)氮摻雜材料一般以昂貴的有機(jī)化合物為原料，以復(fù)雜的有機(jī)合成為基礎(chǔ)，在苛刻的反應(yīng)條件下經(jīng)過(guò)高溫碳化制備，雖然也能取得較好的效果，但步驟較為復(fù)雜，因此很難進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)[周田寶.西北師范大學(xué),2014.]。

隨著綠色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展理念的深入，如何用廉價(jià)的原料通過(guò)簡(jiǎn)單綠色方法合成新型氮摻雜碳材料已成為研究的熱點(diǎn)。生物質(zhì)前驅(qū)體來(lái)源廣泛、環(huán)境友好，其蘊(yùn)藏量和產(chǎn)量巨大，將生物質(zhì)高效轉(zhuǎn)換為生物質(zhì)基碳材料，具有廣闊的開(kāi)發(fā)利用前景。

生物質(zhì)碳材料的活化法主要分為三種，分別是物理活化法、化學(xué)活化法和物理化學(xué)共活化。物理活化法采用水蒸氣或二氧化碳氛圍加熱處理，優(yōu)點(diǎn)在于條件溫和，設(shè)備要求低，活化后無(wú)副產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境無(wú)污染，缺點(diǎn)在于活化溫度高，時(shí)間長(zhǎng)，能耗高；化學(xué)活化法，通過(guò)浸漬滲透的方式對(duì)碳材料進(jìn)行活化，優(yōu)點(diǎn)在于活化溫度低、時(shí)間短、低能耗、制備的碳材料比表面積和孔容較大，缺點(diǎn)在于活化劑用量大、腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境，及材料中有未除去的活化劑。物理化學(xué)共活化包含一步化學(xué)活化(通常使用H₃PO₄和ZnCl₂)和一步物理活化(通常使用CO₂)過(guò)程，但并沒(méi)有明顯改善物理活化法和化學(xué)活化法的一些固有缺點(diǎn)。

因此，急需開(kāi)發(fā)一種活化溫度低、時(shí)間短、低能耗、環(huán)境友好、腐蝕性低并且操作簡(jiǎn)便的生物質(zhì)摻氮多孔碳的制備技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述存在的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)了一種摻氮多孔碳，具體的方案如下：

一種摻氮多孔碳的制備方法，包括以下步驟：

S1：將綠豆粉加入水中，攪拌均勻后，再加入活化劑和尿素得到混合液；

S2：將S1得到的混合液進(jìn)行攪拌，充分反應(yīng)后，再干燥，得到反應(yīng)物；

S3：將S2中得到的反應(yīng)物在惰性氣體氛圍下進(jìn)行煅燒，煅燒后再進(jìn)行酸處理，得到摻氮多孔碳。