[發明專利]一種硫氮雙摻雜氧改性碳布材料的制備方法

有效

• 申請號: 202110557907.8
• 申請日: 2021-05-21
• 公開（公告）號: CN113398967B
• 公開（公告）日: 2023-07-25
• 發明（設計）人: 陳建峰;張玥;王丹;蒲源;王潔欣
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種微波耦合水熱法制備硫氮雙摻雜氧改性碳布材料的方法，該首先對碳布進行預處理，在一定氣氛下利用微波脈沖對碳布進行氧改性，接著采用一步水熱法在氧改性的碳布表面實現硫氮物種的雙摻雜，干燥后得到硫氮雙摻雜氧改性碳布材料。微波處理后的材料表面形貌相較原始未處理的碳布表面粗糙度及無序化程度明顯提高，表面有效接枝豐富的含氧官能團，由疏水表面變為親水表面。通過改變碳布表面的缺陷程度，利于后續硫氮物種的摻雜，最后制備的材料氧元素含量占比為5～20％，硫的元素含量占比為1～10％，氮的元素含量占比為1～10％。采用此方法制備的雜原子摻雜氧改性碳布，原料易得，工藝簡單，便于控制條件，且雜原子摻雜量較高。

技術領域

本發明涉及功能材料領域，特別涉及一種硫氮雙摻雜氧改性碳布材料的制備方法。

背景技術

氧化反應在整個有機化學品生產中所占比例超過30％，現行催化劑多為金屬催化劑。為緩解污染問題而進行的催化和環境友好型能源領域的前沿科學技術研究在近期引起了廣泛關注。然而，由于儲量有限及環境污染等問題，金屬基催化劑在工業上的大規模使用受到多種限制或挑戰。更有效的催化和新的催化技術對于最大程度地減少環境污染至關重要，巨大的需求促使研究人員開發具有高活性、高選擇性、出色穩定性、易于回收的先進性能的催化劑。碳材料尤其納米碳材料由于具有較大的比表面積、抗酸堿、來源廣泛和表面基團可調等獨特性質受到了研究者的廣泛關注。碳基無金屬納米材料被發現可用于多類需要金屬催化的過程，有望替代傳統的金屬基催化劑，對節約金屬資源、提高化工過程可持續性具有重要意義。然而，在使用碳納米催化材料時，需要通過固液分離裝置對超細粉體形式的催化劑進行回收，以避免催化劑的流失，這增加了工藝流程的復雜性及成本。因此，制備出更適用于反應器的整體式碳基催化劑是有必要的。

商用碳布是由薄的、連續、獨立、相對光滑的碳纖維(直徑約為10μm)編制而成的。碳布在微觀尺度上是一個三維結構，編制結構所產生的空間和間隙，在實際應用中，特別是在液體環境中，有利于質量的滲透和交換因其優異的熱穩定性、高導電性、優異的耐酸堿性和機械穩定性，碳布已成為一種在儲能裝置、光催化和電催化等領域具有發展潛力的基材。但由于碳布的表面缺陷較少，作為基底，活性物質負載量較低。因此，需要對碳布進行表面官能團改性和功能化。常見的氣相氧化、液相氧化、等離子體氧化等方法容易破壞碳布的骨架結構，因此如何不破壞碳布的結構的基礎上進行改性以增加其活性物質負載量，并制備一種結構化碳催化材料就成了解決問題的關鍵。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種簡單有效的硫氮雙摻雜氧改性碳布材料的制備方法。該制備方法采用微波耦合水熱處理法，即首先對碳布進行預處理，使用微波法對碳布進行氧改性，增加碳布的表面缺陷及功能官能團數量，便于后續摻雜。接著采用合適的硫氮前驅體為為硫、氮來源，采用一步水熱法在改性后的碳布表面實現硫氮物種的共摻雜，干燥后得到雜原子摻雜的碳布基材料。

該材料表面形貌相較原始未處理的碳布表面粗糙度及無序化程度明顯提高，碳布表面接枝豐富的含氧官能團，由疏水表面變為親水表面，并成功地摻入硫氮物種，氧元素含量占比為5～20％，硫的元素含量占比為1～10％，氮的元素含量占比為1～10％。采用此方法制備的雜原子摻雜氧改性碳布，原料易得，工藝簡單，便于控制條件，且雜原子摻雜量較高。無需任何強酸和強堿，不會對環境產生污染，不會對人體產生危害，且成本更加低廉。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是提供一種簡單有效的硫氮雙摻雜氧改性碳布材料的制備方法，該制備方法包括如下步驟：

步驟1)將一定大小的碳布用乙醇和去離子水進行預處理；

步驟2)將預處理后的具有一定含水量的碳布放入微波爐內，控制微波處理時間，使碳布充分改性；

步驟3)將上步得到的碳布用一定溫度的去離子水進行快速冷卻；

步驟4)將與碳布質量成一定比例的硫氮前驅體及適量的水形成溶液；