[發明專利]一種過渡金屬硫化物修飾生物質等級孔碳材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210896977.0
• 申請日: 2022-07-28
• 公開（公告）號: CN115159501A
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 王鵬;曾德財;廖圣良;司紅燕;王宗德;陳尚钘;范國榮;賀璐
• 申請（專利權）人: 江西農業大學
• 主分類號: C01B32/05
• 分類號: C01B32/05;C01G49/12;C01G51/00;C01G53/11;C25B11/04
• 代理公司: 北京奧肯律師事務所 11881
• 代理人: 周桐

本發明屬于生物質碳材料制備技術領域，具體涉及一種過渡金屬硫化物修飾生物質等級孔碳材料的制備方法，包括如下步驟：(1)前驅體的制備：以生物質為碳源，98％H₂SO₄為硫源，引入金屬氯化物、SiO₂膠體和超純水攪拌均勻，進行水熱反應，烘干，得到前驅體；(2)等級孔碳材料的制備：將步驟(1)中得到的前驅體在惰性氣體保護下于管式爐內煅燒，煅燒后用HF進行刻蝕，得到等級孔碳材料。本發明具有操作簡單，流程短的特點，適合大規模生產和工業化推廣，制備的生物質碳材料成功負載了金屬硫化物，且金屬硫化物分布均勻，調控了碳材料的表面活性、粒徑大小和孔隙結構，形成了較高的比表面積和微孔、中孔和大孔共存的等級孔結構。

技術領域

本發明屬于生物質碳材料制備技術領域，具體涉及一種過渡金屬硫化物修飾生物質等級孔碳材料及其制備方法。

背景技術

生物質多孔碳材料是指以生物質作為碳源，通過煅燒的方式制備生物質碳，再通過活化或模板法等方法來調控生物質碳的孔道，得到的生物質多孔碳材料。生物質多孔碳根據孔徑大小可分為微孔碳材料(孔徑小于2nm)、介孔碳材料(孔徑為2-50nm)和大孔碳材料(孔徑大于50nm)，還有微孔、介孔、大孔部分存在或均存在的等級多孔碳材料(張晨光,王亞輝,吳小亮.生物質基多孔碳在超級電容器中的應用進展[J].現代化工,2020,(4):27-29,35)。生物質多孔碳以其豐富的孔隙結構、高比表面積和優異的導電性能等特性受到廣泛關注，常應用于電化學領域。生物質多孔碳具有較好的導電性，但由于其表面物質相對較為簡單，不能為催化反應提供足夠的活性位點，一般會在其表面修飾更多的活性位點(雜原子、金屬化合物和金屬單質等)以提高其電催化能力，實現生物質多孔碳的功能化。過渡金屬化合物主要指過渡金屬(Fe、Cu、Co、Zn、Ni、Mo等)和非金屬(P、S、O、N、Se等)之間形成的一種化合物。過渡金屬硫化物由于其低成本、無毒、窄帶隙、優異的熱穩定性和高電催化活性而被廣泛應用于于光學、光電子、析氫技術、鋰離子電池、超級電容器和電化學傳感等領域(Zhang S S,Sun Y Y,Liao F,et al.Co9S8-CuS-FeS trimetal sulfides for excellentoxygen evolution reaction electrocatalysis[J].Electrochimica Acta,2018,283:1695-1701)。但單純的過渡金屬硫化物具有導電性差、反應動力學緩慢、和電化學穩定性差等缺點(Xu X,Ying HJ,Zhang S L,et al.Biomass-Derived 3D Interconnected PorousCarbon-Encapsulated Nano-FeS2 for High-Performance Lithium-Ion Batteries[J].ACS Applied Energy Materials,2020,3(6):5589-5596)，許多研究者通過過渡金屬硫化物的納米結構調控和復合結構設計來改善這一缺陷(Ding Y,Zeng P Y,Fang Z.Spindle-shaped FeS₂ enwrapped with N/S Co-doped carbon for high-rate sodium storage[J].Journal of Power Sources,2020,450:227688)，一方面將過渡金屬硫化物縮小至納米級別從而提高電極的有效比表面積，縮短離子擴散距離和電子傳輸路徑，增強材料的導電性能和循環穩定性；另一方面尋找一種導電性較好的復合材料基底(碳材料、金屬有機骨架和導電高分子材料等)來提高材料的電化學性能(Zhao T K,Yang W B,Zhao X,etal.Facile preparation of reduced graphene oxide/copper sulfide composite aselectrode materials for supercapacitors with high energy density[J].Composites Part B:Engineering,2018,150:60-67)。目前主要的過渡金屬硫化物復合材料的制備方法有電沉積法、微波輔助法、溶劑熱法和水熱法等，但這些方法工藝復雜、制備成本高、且不易于實現工業化生產(Nguyen HQ,Phan T H T,Ho D Q,et al.A Comparasionof Photocatalytic Activity Between FeS2,Ni-Doped FeS2 Nanoparticlesa nd Un-Doped FeS2/rGO Composite[J].Journal of Electronic Materials,2020,49(11):6474-6482)，所以需要研發一種操作簡單、能夠大規模制備高分散過渡金屬硫化物復合材料的方法。