[發明專利]一種富氮摻雜無定形碳/石墨碳納米復合物粉體大規模生產方法

在審

• 申請號: 201911345480.4
• 申請日: 2019-12-24
• 公開（公告）號: CN111137872A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 黃昊;齊民;董旭峰;朱盛銘
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01B32/158;C01B32/168
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 梅洪玉;李曉亮

一種富氮摻雜無定形碳/石墨碳納米復合物粉體大規模生產方法，屬于納米粉體生產技術領域。利用工業上廣泛使用的吡咯、過硫酸銨、濃鹽酸和石墨碳等原材料，使用簡單的濕化學原位聚合法和常見的熱處理法相結合，聚合并碳化導電高分子材料聚吡咯，來提高無定形碳/石墨碳復合納米粉體的氮摻雜量、通過控制吡咯單體與石墨碳的比例，形成不同長徑比的富氮摻雜無定形碳/石墨碳復合納米粉體。本發明使生產效率大大提高、成本降低，實現不同氮摻雜量的無定形無定形碳/石墨碳復合納米粉體的大規模生產，同時利用濕化學法和多次清洗技術避免了粉體制備過程中的污染，并提高了粉體的純度。

技術領域

本發明屬于納米粉體生產技術領域，涉及一種富氮摻雜無定形碳/石墨碳納米復合物大規模生產方法。

背景技術

濕化學法是有液相參加的、通過化學反應來制備材料的方法，而熱處理法是工業生產中最常見的方法之一。通過濕化學法和后續的熱處理工藝相結合，常用于無定形碳材料的制備。但對于制備有異質元素(如氮元素，N)摻雜的無定形碳材料，同時需要使其保持合適的納米結構，并用于大規模工業化生產，還存在著許多技術問題，主要表現在如何高效率、低成本、高純度、無污染、大規模地制備具有特殊結構的異質原子摻雜的無定形碳及其與石墨碳的復合物并使其保持較高的異質原子的摻雜含量。

現有濕化學與熱處理相結合的工藝制備異質原子摻雜的無定形碳及其與石墨碳的復合物材料，制備工藝及由制備工藝引發的材料性質的不足、不合適的結構主要有以下幾點：

(1)生產效率較低，成本較高

目前，為使異質原子摻雜的無定形碳/石墨碳復合物材料具備適合的多孔性質，常常需要添加其他的表面活性劑或除水以外的其他溶劑分子，如聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物(F127)、聚環氧乙烷-聚環氧丙烷-聚環氧乙烷三嵌段共聚物(P123)、十二烷基苯磺酸鈉、咪唑類離子液體等，加入了上述物質確實可以作為溶解于溶劑水中的物質，使其在后續的熱處理中創造合適的孔結構，但也增加了生產成本。此外，為了溶解這些物質，實際的溶解時間占總生產時間的20～80％，整體而言，生產效率較低。同時，為了溶解這些物質，通過超聲等處理方法將消耗大量的能源，增加生產成本；在后續清洗過程中，去除這些物質帶來的困難也將進一步增加生產成本。

(2)純度較低

在添加其他的表面活性劑或除水以外的其他溶劑分子后，這些物質與生產材料易于發生如氫鍵、共價鍵、范德瓦爾斯力等相互作用，使得在后續的清洗過程中去除這些物質極為困難，使得對異質原子摻雜的無定形碳及其復合物納米粉體的提純更加困難。

(3)無法實現真正意義上的大規模生產

目前的制備異質原子摻雜的無定形碳及其復合物的生產工藝，受制于碳源選擇較多但復合生產需求的原材料較少、生產工藝復雜低效、制備材料所需的設備成本較高、生產時長較長、濕化學法易于引入其他雜質難以去除等問題，這些問題增加了生產成本，降低了生產效率，無法實現真正意義上的大規模、高質量地生產異質原子摻雜的無定形碳及其復合物材料。

發明內容

本發明要解決的技術問題是無定形碳的異質原子摻雜含量低、在保證高氮元素摻雜含量的前提下大規模制備困難和制備純度低等問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種富氮摻雜無定形碳/石墨碳納米復合物粉體大規模生產方法，包括以下步驟：(1)原材料選擇：選擇石墨碳(包括多壁碳納米管或氧化石墨烯)、吡咯單體、水、過硫酸銨和濃鹽酸作為濕化學富氮摻雜無定形碳/石墨碳復合物粉體大規模生產的原材料，這些材料均是工業上常見的原材料，該選擇有利于降低該粉體的生產成本。

所述的多壁碳納米管的純度≥95％，直徑、長度可調；氧化石墨烯的純度≥95％，石墨片層堆積層數可調；吡咯單體的純度≥99％，水分＜0.1％；過硫酸銨的純度≥95％；濃鹽酸的濃度為12mol/L。