[發(fā)明專利]一種具有框架結構的雜原子摻雜碳材料的制備方法

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• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112225197A
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設計）人: 黃藝吟
• 申請（專利權）人: 福建師范大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;B01J27/24;B01J35/10
• 代理公司: 福州君誠知識產權代理有限公司 35211
• 代理人: 戴雨君

本發(fā)明提供了一種具有框架結構的雜原子摻雜碳材料的制備方法。該方法包括：在去離子水中加入二氧化硅球，超聲分散形成二氧化硅球分散液；攪拌下將多巴胺直接加入，溶解后再加入tris?HCl溶液進行聚合反應；洗滌干燥濾渣得到樣品；將樣品放于瓷舟中，置于管式爐中部，管式爐氣流上游放置有含非金屬雜原子化合物加熱進行摻雜；摻雜后樣品加入到去離子水與氫氟酸混合溶液中超聲攪拌，去離子水洗滌、干燥得到雜原子摻雜碳材料。該制備方法工藝對設備要求低，便捷高效，反應條件可控性強，制備的材料具有框架結構、雜原子比例和含量可調，應用范圍廣。合成的框架結構雜原子摻雜碳材料可作為載體或催化劑直接應用于各種催化和電催化領域。

技術領域

本發(fā)明涉及一種具有框架結構的雜原子摻雜碳材料的制備方法，屬于材料合成技術領域。

背景技術

為解決我國及世界范圍內能源與環(huán)境問題和發(fā)展可持續(xù)經濟與社會，開發(fā)清潔能源技術已迫在眉睫。新能源技術如鋰空氣電池、燃料電池、電化學氮/二氧化碳還原等，具有能量密度高和環(huán)保綠色等優(yōu)點，被視為高效利用清潔能源如太陽能和風能所轉化的電能的重要關鍵技術，代表了新型電化學能源轉換與存儲一個重要方向。在這些新能源轉化技術中，催化劑是其核心，是整體器件的性能與成本的關鍵決定因素之一。而要發(fā)展綠色環(huán)保的催化劑，碳基催化材料是首選。碳材料具有導電性好、孔隙率高、可塑結構性強、原子結構可調、力學性能好、化學性質穩(wěn)定等優(yōu)點，在各種類型新能源器件的電催化劑中發(fā)揮了極其重要的作用。在電催化過程中，反應物和生成物在需要在催化劑進行快速轉移，到達活性位點并進行電催化反應。因而，高通量孔結構碳材料對電化學活性至關重要。一方面，高通量孔結構可提高材料活性表面積和活性位點數(shù)量，進而提高整體活性；另一方面，高通量孔結構可具有三維連通孔通道，可實現(xiàn)多方向快速離子傳輸，進而加快表/界面電催化反應動力學。幾十年來，人們通過對碳材料的設計已取得一系列成果，然而對于高通量孔結構碳材料的制備仍舊是極大的挑戰(zhàn)。

本發(fā)明利用多巴胺在二氧化硅球模板表面自聚合，碳化和除二氧化硅球模板等過程，制備出具有框架結構的雜原子摻雜碳材料。該方法制備工藝明確簡單、對設備要求低、所制備的具有獨特的框架結構雜原子摻雜碳材料，可應用于多種電催化領域，具有很好的收益。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于克服電催化反應中，碳基材料活性位點活性低以及有限的質量傳輸，通過二氧化硅模板法制備出高活性的具有框架結構雜原子摻雜碳材料，并實現(xiàn)它們在電化學反應中的應用。本發(fā)明提供了一種具有框架結構的雜原子摻雜碳材料及其制備方法，其典型制備過程特征為多巴胺自聚合到二氧化硅模板表面以及雜原子摻雜過程，其典型的結構特征為所合成的碳材料具有框架結構，且具有單元素或多元素摻雜。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的采用的技術方案是：

（1）在去離子水中加入二氧化硅球，超聲分散一段時間后形成二氧化硅球分散液；

二氧化硅球尺寸為2nm~200nm之間。

（2）在保持200~2000rpm磁力攪拌條件下，將多巴胺直接加入到二氧化硅球分散液中，等完全溶解后，再加入tris-HCl溶液控制pH值在7-14之間進行聚合反應，反應時間為1~72小時；

二氧化硅球、多巴胺、tris-HC和去離子水的用量分別為：1~20 g，0.1~10 g，2~80 g：1000ml。

（3）將聚合反應后的黑色懸浮液過濾，用去離子水洗滌3~5次，將濾渣在干燥箱中烘干，得到干燥后的樣品過夜。

（4）將干燥后的樣品放于瓷舟中，置于管式爐中部。管式爐氣流上游放置有含非金屬雜原子化合物用于摻雜。在惰性氣體Ar或N₂保護下（流速為5~100sccm），加熱管式爐溫度到300~1000℃，管式爐加熱升溫速率在1~20度/min之間。等升高到指定溫度后，保持加熱時間3~8小時，之后自然冷卻；