[發明專利]一種具有高氮含量氮摻雜碳材料的制備方法

有效

• 申請號: 202010601547.2
• 申請日: 2020-06-28
• 公開（公告）號: CN111762773B
• 公開（公告）日: 2022-02-15
• 發明（設計）人: 林榮和;丁云杰
• 申請（專利權）人: 浙江師范大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司 33272
• 代理人: 趙梅;楊嘉芳

本發明公開一種具有高氮含量氮摻雜碳材料的制備方法，包括如下步驟：(1)將干燥的含氮高分子有機物置于馬弗爐或管式爐，并在含氧氣氛中于一定溫度下氧化預處理一定時間，獲得部分交聯的含氮高分子有機物前驅體；(2)將上述部分交聯的含氮高分子有機物前驅體轉移到管式爐，在惰性氣氛下于一定溫度下進行碳化，獲得氮摻雜碳材料。本發明方法具有以下幾個顯著優點：(1)工藝過程相對簡單；(2)獲得的氮摻雜碳材料中氮的含量高；(3)摻氮種類可調節；(4)對多種含氮高分子有機物具有廣泛的適用性。

技術領域

本發明涉及碳材料制備技術領域，具體涉及一種具有高氮含量氮摻雜碳材料的制備方法。

背景技術

碳納米材料通常具有優異的耐酸堿性能、良好的力學性能和導電性能、較高的比表面以及豐富的表面物理化學特性，因此在氣體吸附分離、電化學、儲能材料等領域具有廣泛的應用價值。通過在碳基體中引入第二組分，例如氮、硼、硫和磷等，是合成新型功能碳材料的一種重要手段。其中，氮的摻雜受到了廣泛關注。由于碳和氮的原子半徑相近，使得氮比較容易進入碳基體的骨架。這種摻雜后的碳材料不僅為基體帶來更多的結構缺陷，而且由于氮具有孤對電子，勢必造成其周圍的碳原子上的電荷進行再分布。因此，通過控制氮的摻雜量以及氮物種的類型，能夠顯著調變氮摻雜碳功能材料的物理化學性質，進而極大地拓展其在諸多領域的應用前景。

氮摻雜碳材料的制備方法一般有以下兩種。第一種是后處理法，即將碳材料與氮源通過高溫處理將氮引入到碳基體上。其中氮源既可以是氣體如氨氣，也可以是其他的固態含氮前驅體如尿素和三聚氰胺等。該方法的缺點是氮的摻雜量通常比較低，并且難以控制摻入氮物種的類型。第二種是采用直接合成法，即將含氮有機體經過高溫碳化處理獲得氮摻雜碳材料。所采用的含氮有機體包括各種傳統高分子有機物、新型的金屬有機框架化合物、共價有機骨架化合物、甚至是聚合離子液等。顯然，相對于制備過程繁瑣且成本高昂的新型含氮有機體，傳統的高分子有機物具有明顯的價格優勢。然而，將傳統的高分子有機物通過常規的直接碳化處理制備的氮摻雜碳材料，其上的氮含量往往受到碳化溫度的限制，所得碳化產物中氮的含量往往遠低于其高分子前驅體中氮的含量。例如，通過將聚苯胺在800攝氏度氮氣氛下碳化合成的氮摻雜碳材料上氮的含量僅約為10wt.％，遠低于聚苯胺前體上氮的含量(16wt.％)。因此，開發一種簡單可行的制備高氮摻雜碳材料的方法，并能有效調節氮的含量和種類，是該研究領域的一個難點。

發明內容

本發明的目的是提供一種具有高氮含量氮摻雜碳材料的制備方法，以解決現有技術的不足。

本發明采用以下技術方案：

一種具有高氮含量氮摻雜碳材料的制備方法，包括如下步驟：

(1)將干燥的含氮高分子有機物置于馬弗爐或管式爐，并在含氧氣氛中于一定溫度下氧化預處理一定時間，獲得部分交聯的含氮高分子有機物前驅體；

(2)將上述部分交聯的含氮高分子有機物前驅體轉移到管式爐，在惰性氣氛下于一定溫度下進行碳化，獲得氮摻雜碳材料。

進一步地，步驟(1)中含氮高分子有機物是由一種單體聚合獲得的含氮高分子有機物，包括聚苯胺、聚吡咯或聚多巴胺；

或者是由兩種以上單體聚合獲得的含氮高分子有機物，包括苯胺和吡咯共聚物或苯胺和植酸共聚物。

進一步地，步驟(1)中含氧氣氛的氧氣含量大于20％。

進一步地，含氧氣氛包括空氣或氧氣。

進一步地，步驟(1)中氧化預處理溫度為250-450攝氏度。