一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用与流程

本发明涉及无机材料制备工艺技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

目前制备多孔碳材料用的最多的是硬模板法和软模板法。早在1982年，用硬模板法合成多孔碳材料就已经被提出来[Chromatographia,1982,16,138-146]，Ryoo等人证明二氧化硅的介孔能够被碳的前驱体（比如蔗糖）填充，从而从二氧化硅模板中生成一个碳的复制品[J. Am. Chem. Soc, 2000,122,10712-10713]。然而软模板法与硬模板不同的是，软模板法中模板与碳前驱体之间的化学反应在软模板合成多孔碳材料的过程中要起到关键作用[Chem. Int. Ed, 2008, 47,3696-3717; Chem. Int. Ed, 2006, 45,7664-7667]。

随着经济的不断发展，能源和环境问题也日益突出，超级电容器作为一种高效的，清洁的储能器件，因此受到了许多专家学者的关注。由于模板法制备的碳材料的孔径过于单一，当作为超级电容器的材料时，不利于离子的传输和扩散。传统的模板法过于复杂，制备时间长，实用性不强而且在碳材料的纯度上也难以得到保障。所以，寻求一种简单方便，实用性强，能制备出多孔结构，大的比表面积，适当的氮含量的碳材料成为了许多研究人员所研究的热点[Ady. Energy. Mate, 2012,2,419-424]。

多孔结构的碳材料指的是包含不同尺寸的形状的孔的碳材料，掺杂氮元素可以提高碳材料的电化学性能[Adv. Mater,2010,22,5202-5206]，因此这种材料广泛应用于超级电容器，电池，催化等领域，引起了各界科学家的广泛关注，因此这方面的研究呈现出爆炸式的增长。近年来，有大量的工作致力于寻求一种比表面积大的，导电性强的，有利于电化学性能的材料，如：石墨烯，碳纳米管等，拥有良好的电化学和超高的理论的比表面积成为了研究的热点，但是由于价格较高，在实际应用方面还是很有限的，因此也阻碍的它们的发展。用含氮的化合物作为一种碳源，其中此类的含氮的化合物中还有三个氮原子，可以使碳材料氮掺杂，且方法快捷和简便，能够在短时间之内制备出大量优异性能的氮掺杂多孔结构碳材料。

技术实现要素：

本发明的目的是一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法和应用。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种氮掺杂多孔结构碳材料由无机碱与含氮的化合物按一定质量比为（0.1～4.0）：2.0反应制备而得，材料的比表面积范围在1620~3214m²g^-1。

一种氮掺杂多孔结构碳材料及其制备方法包括以下步骤：

步骤（1），将无机碱与含氮的化合物按质量比为（0.1～4.0）：2.0研磨后充分混合，所述的无机碱为氢氧化钾、氢氧化钠或氢氧化锂的任意一种或几种的混合，所述的含氮的化合物为二乙烯三胺五乙酸、二乙烯三胺五乙酸五钠、二乙烯三胺五乙酸二酐或二亚乙基三胺五乙酸的任意一种或几种的混合；

步骤（2），将混合物放入加热炉中在惰性气体的保护下反应，所述反应的条件为，反应温度为350～950℃，反应时间为1～6小时；

步骤（3）先用低浓度的酸洗涤，收集产物后，再用去离子水或无水乙醇反复洗涤多次后过滤，然后将收集的样品在60～150℃温度下干燥，即可得氮掺杂多孔结构碳材料，所述低浓度的酸为稀盐酸或稀硫酸。

一种氮掺杂多孔结构碳材料作为超级电容器电极材料的应用，当电流密度为0.5A g^-1时，比电容值范围在260~320 F g^-1。

本发明的氮掺杂多孔结构碳材料的氮气吸附性能测试是在美国康塔公司（Quantachrome Instruments）Autosorb-1型物理吸附仪上进行的，具体操作过程为：

1）称取0.1～0.3 g样品，放入样品池，在脱气站中于200℃下脱气6小时；

2）在77 K下进行低温氮气吸附测试，用液氮降温。

测试结果表明：该氮掺杂多孔结构碳材料具有丰富的微孔和介孔结构，有较高的比表面积，材料的比表面积范围在1620~3214 m²g^-1。

本发明的氮掺杂多孔结构碳材料的电化学的性能测试在电化学工作站上进行（Chenhua Co. Ltd., Shanghai, China）采用的是三电极测试系统。

测试结果表明：在不同的扫描速率下，循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状，且恒电流充放电的测试中，在不同的电流密度下，该碳材料展现出了一个匀称的三角形形状，说明具优良的电化学的特性，当电流密度为0.5Ag^-1时，比电容值范围在260~320 F g^-1。

本发明相对于现有技术，具有以下优点：

1. 本发明中利用无机碱与含氮的化合物在惰性气体的保护下，在加热的过程中，由于含氮的化合物脱去羧基可以产生CO₂气体，以至于可以制备出多孔结构的碳材料，同时，也保留了含氮的化合物中的氮元素，有利于提高材料的电化学性能。

2. 采用无机碱和碳源直接活化的方法，合成工艺简单，成本低，能够在短的时间得到具有高质量的产物。

3. 本发明制备出氮掺杂多孔结构碳材料，比表面积最高的达到了3214 m²g^-1，并具有优良的稳定性；该材料作为超级电容器的电极材料，有超高的比电容，当电流密度为0.5Ag^-1时，比电容值高达320 Fg^-1。

因此，本发明在多孔材料，特别是超级电容器领域具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1为具体实施例1的低温氮气等温吸附曲线；

图2为具体实施例1制备的氮掺杂多孔结构碳材料的电容循环伏安图；

图3为具体实施例1氮掺杂多孔碳材料的电容特性图；

图4为具体实施例2的低温氮气等温吸附曲线；

图5为具体实施例2制备的氮掺杂多孔碳材料的电容循环伏安图；

图6为具体实施例2氮掺杂多孔碳材料的电容特性图。

具体实施方式

本发明通过实施例，结合说明书附图对本发明内容作进一步详细说明，但不是对本发明的限制。

实施例1

本发明氮掺杂多孔结构碳材料的制备方法的具体操作步骤如下：

步骤（1），称取4g的氢氧化钾放在玛瑙研钵中研磨成粉末状，称取4g的二乙烯三胺五乙酸与其充分混合；

步骤（2），将混合物放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于600 ℃下反应2小时，降温后，得到黑色粉末；

步骤（3），先用1 mol/L稀盐酸洗涤，再用去离子水反复洗涤后抽滤，80℃温度下干燥，得到氮掺杂多孔结构碳材料。

氮掺杂多孔结构碳材料的低温氮气等温吸附性能测试条件为在200℃条件下脱气6小时，然后在77 K条件下进行氮气等温吸附。测试结果如图1所示，比表面积为1620 m²g^-1。

氮掺杂多孔结构碳材料作为超级电容器电极材料的应用，其电化学的性能测试在电化学工作站上进行。包括循环伏安曲线，测试结果如图2所示，在不同的扫描速率下，循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状，表明有良好的双电层电容的性能。恒电流充放电，测试结果如图3所示，电流密度为0.5Ag^-1时，比电容值达260 Fg^-1。

实施例2

本发明氮掺杂多孔结构碳材料的制备方法的具体操作步骤如下：

步骤（1），称取2g的氢氧化钾放在玛瑙研钵中研磨成粉末状，称取4g的二乙烯三胺五乙酸与其充分混合；

步骤（2），将混合物放入管式炉中，在惰性气体的保护下，于800 ℃下反应2小时，降温后，得到黑色粉末；

步骤（3），先用1 mol/L稀盐酸洗涤，再用去离子水反复洗涤后抽滤，80℃温度下干燥，得到氮掺杂多孔结构碳材料。

氮掺杂多孔结构碳材料的低温氮气等温吸附性能测试条件为在200℃条件下脱气6小时，然后在77 K条件下进行氮气等温吸附。试结果如图4所示，实施例2所得材料主要有微孔和介孔结构，比表面积高达3214 m²g^-1。

氮掺杂多孔结构碳材料作为超级电容器电极材料的应用，其电化学的性能测试在电化学工作站上进行。包括循环伏安曲线，测试结果如图5所示，在不同的扫描速率下，循环伏安曲线保持良好的类似于矩形形状，表明有良好的双电层电容的性能。恒电流充放电，测试结果如图6所示，在不同的电流密度下，展现出了一个匀称的三角形形状，说明具有理想的电化学的特性。电流密度为0.5Ag^-1时，比电容值高达320 Fg^-1。