[發明專利]一種高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊及其制備方法和應用

有效

• 申請號: 202010202297.5
• 申請日: 2020-03-20
• 公開（公告）號: CN111362251B
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發明（設計）人: 趙國群;龔潔
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;H01M4/583;H01M10/054
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 孫維傲

1.一種高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊，其特征在于，所述碳塊具有三維相互連通的大孔開孔結構，結構中分布有少量介孔和微孔，BET比表面積為12.7~30 m² g^-1；所述碳塊含有碳元素50~85 at%、磷元素2~20 at%、氮元素2~20 at%和氧元素5~40 at%；

所述的高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊的方法，包括如下步驟：

（1）將聚丙烯腈粉末和開孔劑充分溶解在二甲基亞砜中，蒸除部分溶劑，并經裁減、熱壓成塊和沖裁后通過超臨界二氧化碳發泡獲得聚丙烯腈基泡沫；

（2）配制鹽酸羥胺水溶液調節溶液pH至中性，將步驟（1）所得聚丙烯腈基泡沫浸入上述溶液中，攪拌反應后洗滌并烘干；

（3）將步驟（2）的產物浸入磷源溶液中，攪拌反應后洗滌并烘干；

（4）將步驟（3）的產物進行穩定化和碳化處理，得到高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊。

2.一種制備權利要求1所述的高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊的方法，其特征在于，包括如下步驟：

（1）將聚丙烯腈粉末和開孔劑充分溶解在二甲基亞砜中，蒸除部分溶劑，并經裁減、熱壓成塊和沖裁后通過超臨界二氧化碳發泡獲得聚丙烯腈基泡沫；

（2）配制鹽酸羥胺水溶液調節溶液pH至中性，將步驟（1）所得聚丙烯腈基泡沫浸入上述溶液中，攪拌反應后洗滌并烘干；

（3）將步驟（2）的產物浸入磷源溶液中，攪拌反應后洗滌并烘干；

（4）將步驟（3）的產物進行穩定化和碳化處理，得到高磷-氮共摻雜三維多孔碳塊。

3.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述開孔劑為聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯。

4.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述聚丙烯腈粉末和開孔劑的質量比為5:1~3:1。

5.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述聚丙烯腈粉末和開孔劑的總量與溶劑二甲基亞砜的質量比為1:12~1:6。

6.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述熱壓條件為：140~160 ℃、10~20 Mpa下熱壓10~20 min。

7.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（1）中所述超臨界二氧化碳發泡條件為：在高壓釜內，通入CO₂后升溫至100~150℃，并加壓至10 ~50 Mpa，保持1~5 h后迅速卸壓。

8.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（2）中所述反應條件為：80~100 ℃下攪拌反應1~5 h。

9.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（2）中所述鹽酸羥胺水溶液的濃度為10~40 g/L。

10.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（3）中所述磷源溶液的濃度為20~85wt%，所述磷源為磷酸、聚磷酸、植酸中的一種。

11.根據權利要求10所述的方法，其特征在于，步驟（3）所述磷源為磷酸。

12.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（3）中所述反應條件為：80~100 ℃下攪拌反應1~5 h。

13.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述穩定化處理包括：以升溫速率1~3 °C/min升溫至穩定化溫度230~280 °C，保持2~8 h。

14.根據權利要求2所述的方法，其特征在于，步驟（4）中，所述碳化處理包括：以升溫速率1~3 °C/min升溫至碳化溫度500~1000 °C，保持1~5 h。