[發明專利]一種絲素源氮摻雜多孔碳材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010835632.5
• 申請日: 2020-08-19
• 公開（公告）號: CN111977648A
• 公開（公告）日: 2020-11-24
• 發明（設計）人: 王萍;何鴻喆;張巖;李媛媛
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;C07K14/435;C07K1/14
• 代理公司: 蘇州隆恒知識產權代理事務所(普通合伙) 32366
• 代理人: 金京

本發明公開了一種絲素源氮摻雜多孔碳材料及其制備方法，絲素源氮摻雜多孔碳材料的制備如下：取絲素蛋白浸漬于0.1～0.45mol/L的氯化鉀溶液中，浸漬完畢后取出烘干，得到摻雜鉀元素的絲素蛋白。將摻雜鉀元素的絲素蛋白進行高溫處理，以使所述絲素蛋白碳化成碳材料，同時使絲素蛋白中的鉀元素、碳元素和氧元素結合形成碳酸鉀后分解產生逸出的二氧化碳，以在所述碳材料上形成孔洞，從而得到絲素源氮摻雜多孔碳材料。其中，高溫處理的溫度為700～900℃。本發明制備方法簡單易于操作，制備得到的絲素源氮摻雜多孔碳材料具有較高的含氮量，使得材料具有很好的表面化學活性和電化學性能。

技術領域

本發明涉及了一種絲素源氮摻雜多孔碳材料及其制備方法。

背景技術

多孔碳材料是指以碳作為其基本骨架的多孔結構材料，通常擁有封閉的或者相互貫通的孔洞并且組成網絡結構。多孔碳材料既具有碳材料價格低廉、穩定性好的特點，同時又具有多孔材料高比表面積、高孔隙率的性能，被廣泛應用于儲能、氣體吸附及催化領域。

純碳多孔材料的親水性不佳，化學活性比較差，在應用時會受到限制。研究發現，通過氮摻雜，在碳材料中引入氮雜原子，能夠有效改變其表面化學性質。

氮摻雜之后，材料表面的活性位點增加，有利于多孔碳材料在催化方面的應用。同時，氮原子的引入也能改善材料的親水性能和孔洞結構，甚至改變材料對氣體的選擇吸附性。

現有技術中，對于氮摻雜多孔碳材料的制備，一般采用的方法有后處理合成法、化學氣相沉積法(CVD)和原位合成法。

后處理合成法通過對預先合成的多孔碳進行摻氮功能化修飾改性處理。后處理合成法摻氮的過程較為簡便，但最常用的后處理法需要用到氨氣，不僅提高了成本，而且在處理過程中有毒性，存在風險。

采用CVD法雖然能制備較高氮含量的氮摻雜多孔碳材料，但是CVD法需在較高溫度下進行，制備條件苛刻，成本高昂。

直接合成法主要是指采用富含氮元素的碳前驅體，經過聚合、碳化等過程，將氮原子直接摻雜到碳材料的骨架或表面，因此也稱為“原位摻氮法”。這種方法得到的氮元素多以結構型氮為主，更穩定，而且易于控制氮含量，能制得高比表面積和較高氮含量的摻氮多孔碳材料。同時，原位法無需添加其他化學助劑，更加綠色、環保。但現有技術中，直接合成法最常用的前體包括氨基糖類、三聚氰胺、苯甲胺、含氮雜環化合物以及苯二甲藍染料等，這些前體需要有附著于負載材料上，進一步碳化形成氮摻雜材料。

因此，需要從前體材料、制備方法上對現有技術中氮摻雜多孔碳材料的制備做出改進，以能提高其應用價值。

發明內容

為了克服現有技術中的缺陷，本發明實施例提供了一種絲素源氮摻雜多孔碳材料及其制備方法，其制備方法簡單易于操作，制備得到的絲素源氮摻雜多孔碳材料具有較高的含氮量，使得材料具有很好的表面化學活性和電化學性能。

本發明公開了一種絲素源氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括如下步驟：

取絲素蛋白浸漬于0.1～0.45mol/L的氯化鉀溶液中，浸漬完畢后取出烘干，得到摻雜鉀元素的絲素蛋白；

將摻雜鉀元素的絲素蛋白進行高溫處理，以使所述絲素蛋白碳化成碳材料，同時使絲素蛋白中的鉀元素、碳元素和氧元素結合形成碳酸鉀后分解產生逸出的二氧化碳，以在所述碳材料上形成孔洞，從而得到絲素源氮摻雜多孔碳材料；

其中，高溫處理的溫度為700～900℃。

作為優選，所述步驟“取絲素蛋白浸漬于0.1～0.45mol/L的氯化鉀溶液中”中，所述氯化鉀溶液的濃度為0.45mol/L，浸漬處理時間為22～26h。

作為優選，所述高溫處理的溫度為900℃，保溫時間2～4h，升溫速率為5℃/min。