[發(fā)明專利]含氮多孔納米空心碳球及其制備方法、應(yīng)用

在審

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• 申請日: 2018-11-12
• 公開（公告）號(hào): CN109399608A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮云曉;劉麗華;葉露陽;徐伏;曹云麗;王莉
• 申請（專利權(quán)）人: 平頂山學(xué)院
• 主分類號(hào): C01B32/15
• 分類號(hào): C01B32/15;B01J20/20;B01J20/28;B01J27/24;B01J35/10
• 代理公司: 西安銘澤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 61223
• 代理人: 李振瑞

本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含氮多孔納米空心碳球及其制備方法、應(yīng)用，向聚苯乙烯磺酸鈉溶液中加入乙酸鈣和碳酸鈉，恒溫陳化，將固體粉末干燥得到球形碳酸鈣粉末；調(diào)節(jié)甲醛溶液的pH為堿性；加入三聚氰胺，回流反應(yīng)；加入甲醇溶液，調(diào)節(jié)pH至酸性，繼續(xù)回流反應(yīng)，得到三聚氰胺樹脂溶液；將F127?無水乙醇溶液與球形碳酸鈣粉末混合反應(yīng)；加入三聚氰胺樹脂溶液，進(jìn)行聚合反應(yīng)，高溫炭化處理產(chǎn)物，洗滌，干燥，即得到含氮多孔納米空心碳球。本發(fā)明分別采用F127和CaCO₃為軟硬模板，制備出表面多孔的空心球狀含氮碳材料，球形直徑為50?80nm，粒徑分布均勻，表面平均孔徑為3.82nm；制備過程中采用稀HCl去除硬模版，避免使用危險(xiǎn)物氫氟酸，減低污染。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于無機(jī)材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種含氮多孔納米空心碳球及其制備方法、應(yīng)用。

背景技術(shù)

軟-硬混合模板法制備多孔碳材料時(shí)，采用的硬模板劑為合成多孔碳材料提供了骨架支撐作用，軟模板劑為碳材料的外壁提供多孔，從而形成了有序的孔道。這種多孔碳材料不僅密度較低、表面滲透性好，比表面積也較大，還可以為催化劑等物質(zhì)提供穩(wěn)定的載體。這樣對于某些材料原本不能體現(xiàn)的性能通過制備成多孔材料之后可能會(huì)體現(xiàn)出來，從而使材料的物理與化學(xué)性能有一個(gè)質(zhì)的飛躍。相比而言，這種方法所需的原料廉價(jià)易得，且思路簡單，更適合于大規(guī)模的生產(chǎn)與應(yīng)用，得到的多孔碳材料可廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域。用軟-硬混合模板法合成空心多孔碳材料在材料科學(xué)領(lǐng)域已受到人們的廣泛關(guān)注，目前已經(jīng)是新材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。但是目前采用此方法合成的多孔碳材料應(yīng)用領(lǐng)域還較少，相關(guān)研究也較少。

目前國內(nèi)外對氮摻雜多孔碳材料的制備與性能的研究才剛起步，且主要集中在對氮摻雜碳納米管和石墨稀的研究，而對于氮摻雜多孔碳材料的研究涉獵尚少。因此研究氮摻雜對多孔碳材料的形態(tài)和電化學(xué)性能的影響及其機(jī)理具有重要的科學(xué)價(jià)值和應(yīng)用意義。所以開發(fā)出一種原料便宜易得、工藝簡單、性能優(yōu)異的氮摻雜多孔碳的制備方法將對這類材料的開發(fā)應(yīng)用起到巨大的推動(dòng)作用。

目前常用的制備含氮碳材料的主要方法有：(1)硬模板法：是制備空心球形多孔碳材料最主要的方法，可以定向調(diào)節(jié)顆粒大小，但是需要使用比較危險(xiǎn)化學(xué)品氫氟酸處理模板。(2)軟模板法：采用具有兩親性質(zhì)的有機(jī)高分子為模板，使表面活性劑與碳前驅(qū)體在介觀范圍內(nèi)組裝成具有介孔結(jié)構(gòu)存在的聚合物。但是收率低，成本高，粒徑分布不勻。由于軟硬模板法各自存在不足，為克服各自缺點(diǎn)，本發(fā)明采用軟-硬模版法。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供的一種含氮多孔納米空心碳球的制備方法，原料便宜易得、工藝簡單、制備出的氮摻雜多孔碳性能優(yōu)異。

本發(fā)明提供了一種含氮多孔納米空心碳球的制備方法，包括以下步驟：

S1，球形碳酸鈣的合成

向聚苯乙烯磺酸鈉溶液中依次加入乙酸鈣和碳酸鈉，將上述混合液連續(xù)攪拌2～3h后密封，50～70℃恒溫陳化1～2d，將下層白色固體粉末洗滌，干燥即可得到球形碳酸鈣粉末；

S2，碳前驅(qū)體的制備

配制甲醛溶液，調(diào)節(jié)甲醛溶液的pH為堿性；加入三聚氰胺，將得到的混合液于70～80℃回流反應(yīng)一段時(shí)間；加入甲醇，并調(diào)節(jié)溶液pH至5.5～6.5，70～80℃繼續(xù)回流反應(yīng)，得到三聚氰胺樹脂溶液，備用；

S3，含氮多孔納米空心碳球的制備

取聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物加入到無水乙醇中攪拌溶解，得到F127-無水乙醇溶液；加入球形碳酸鈣粉末，25～30℃反應(yīng)6～8h；加入三聚氰胺樹脂溶液，繼續(xù)反應(yīng)4～5h；揮發(fā)掉溶劑，100～130℃進(jìn)行聚合反應(yīng)；將聚合反應(yīng)得到的產(chǎn)物進(jìn)行高溫炭化處理，將炭化后的黑色粉末洗滌，干燥，即得到含氮多孔納米空心碳球。

優(yōu)選的，S1中，聚苯乙烯磺酸鈉溶液的濃度為1～1.5g/L。