[發(fā)明專利]一種摻雜多孔碳基復合材料的制備方法

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• 申請日: 2019-10-11
• 公開（公告）號: CN111206165A
• 公開（公告）日: 2020-05-29
• 發(fā)明（設計）人: 王靜;徐祥宇;郭俊杰
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: C22C1/10
• 分類號: C22C1/10;C01B32/05
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏

本發(fā)明涉及碳基復合材料，尤其涉及一種摻雜多孔碳基復合材料的制備方法。所述方法包括以下步驟：以有機材料作為原料，配制浸漬液，浸漬液中溶解有過渡金屬鹽或過渡金屬鹽和摻雜劑，將有機材料置于浸漬液中進行吸附浸漬，隨后取出置于保護氣氛中進行二段式升溫煅燒即可得到摻雜多孔碳基復合材料。本發(fā)明方法簡單易行，具有廣泛的普適性；原料、設備成本低，能耗較小，有利于產(chǎn)業(yè)化的制備和生產(chǎn)；制備過程中極少產(chǎn)生甚至不產(chǎn)生廢氣、廢液污染，更加綠色環(huán)保；可根據(jù)復合材料所需性能靈活選用原料，具有較高的靈活性。

技術領域

本發(fā)明涉及碳基復合材料，尤其涉及一種摻雜多孔碳基復合材料的制備方法。

背景技術

多孔碳材料不僅具有碳材料化學穩(wěn)定性高、導電性好等優(yōu)點，由于多孔結構的引入，還具有比表面積高、孔道結構豐富、孔徑可調(diào)等特點，在多相催化、吸附分離科學和電化學儲能等方面都得到了廣泛的應用。特別是多孔碳載體與活性金屬組分構筑的復合材料在電催化領域得到高度關注，多孔碳載體不僅為金屬組分的錨定提供位點，而且豐富的孔道有助于傳質(zhì)過程，促進催化反應。

多孔碳材料的制備方法有很多種，如高分子聚合物熱解法、模板法（硬模板法和軟模板法）以及活化法（化學活化法、物理活化法和物理化學活化法）等。其中，高分子聚合物熱解法往往得到具有無序微孔結構的碳材料，大量的微孔結構對于催化過程的傳質(zhì)是非常不利的。模板法雖然具有良好的結構可控性，特別是雙模板法的使用有利于構筑有序介孔結構，但是材料的制備過程復雜，往往需要繁瑣的后處理（強酸、強堿、高溫）以移除模板劑，整個過程極其不經(jīng)濟、環(huán)保。

迄今為止，以活化法合成多孔碳材料的研究最為廣泛，特別是物理化學活化法。通常將含碳原料與活化劑混合后，在高溫下與活化劑分解產(chǎn)生的氣體小分子接觸反應，最終刻蝕形成多孔結構。例如，Yong Wang等人采用面包發(fā)酵法（Green Chem., 2015, 17,4053-4060），以碳酸氫鉀為活化劑，將木糖、甲殼素等多糖分子、甚至原始生物質(zhì)如竹子經(jīng)過煅燒直接合成多孔碳材料。該策略極大地降低了生產(chǎn)成本，簡化操作過程。

此外，研究發(fā)現(xiàn)多孔碳材料中摻雜N原子等異質(zhì)原子后，可以極大地調(diào)變多孔碳材料的表面酸堿性、親水性及其與金屬顆粒的相互作用。Yong Wang 等在另外一篇工作（Green Chem.，2016，18，6082-6090）中以纖維素作為原料，碳酸氫鈉和草酸銨共同作為發(fā)泡劑，由于草酸銨在高溫下分解出大量含氮氣體，與碳載體反應成功摻入氮原子。構筑的氮摻雜多級孔結構極大地穩(wěn)定和分散釕顆粒。同時，由于N原子的供電子能力，有利于Ruⁿ⁺到Ru⁰的還原，為催化反應提供更多的活性位。NH₃作為一種常用的還原劑不僅為高活性金屬組分的形成提供條件，同時作為活化劑引入豐富的孔道結構。例如，Ji等人在NH₃氛圍下煅燒纖維素膜（Nano Lett.，2014，14，2225-2229），得到比表面積高達1973.3 m² g^-1的N摻雜多孔碳。該方法雖然可以獲得高比表面積的碳材料，但使用強腐蝕性、刺激性的氣體，對合成設備要求高，無疑增加生產(chǎn)成本。

如中國專利局于2019年6月7日公開的一種制備鋰電池負極的碳基復合材料及其制備方法的發(fā)明專利申請，申請公開號為CN109860527A，其包括如下步驟：步驟S1中空多孔Cu-Mo-O的制備，步驟S2中空多孔Cu-Mo-O表面改性，步驟S3高溫碳化，步驟S4負載。本發(fā)明還公開了根據(jù)所述制備方法得到的鋰電池負極的碳基復合材料。在該發(fā)明專利的技術方案中，其采用的制備原料成本較高，并且制備工藝較為復雜，存在一定的污染性。

為了更好的在實際中應用摻雜多孔碳基復合材料，提供一種工藝簡單、綠色環(huán)保且生產(chǎn)成本較低的合成摻雜多孔碳基復合材料的策略非常具有科研和實際產(chǎn)業(yè)化的前景。