本发明提供了一种通用的多孔掺杂碳电极的制备方法。
背景技术：
碳纳米材料因具有形貌可控、性能优越等特点，被广泛应用于各个领域，如电化学、催化、传感、吸附等。研究证明，通过对碳纳米材料进行改性(活化、掺杂、复合等)可以进一步提高材料的性能，进而提高其应用价值。杂原子(如氮、硼、硫等)掺杂可以有效地控制碳纳米材料的电子结构和晶体结构，产生优于纯碳纳米材料的物理化学性能。但直到现在人工合成的多孔碳的制备工艺和杂原子掺杂工艺仍然很复杂，且成本较高。
本发明所采用的原材料为酵母可发酵粉状物和酵母，原料简单易购买，制备的碳电极具有多孔结构，而且电极可以具有连通孔道，同时连通孔道上具有发酵产生的多孔的结构。可以通过直接混掺或溶水混掺的方式掺杂一种或两种以上混合的掺杂剂，所述的掺杂剂可以为金属单质、含金属化合物、含非金属化合物中的一种或两种以上混合，掺杂方法简便通用，同时使制备的多孔碳电极具备不同的性能，并且不需要添加聚合物等胶黏剂，使碳电极化学性能更优异，制作成本低。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种通用的多孔掺杂碳电极的制备方法。
本发明的技术方案：
一种制备多孔掺杂碳电极的通用方法，步骤如下：
(1)先将酵母与18～50℃的高纯水混合活化5～20min，将活化的酵母和水混合液、酵母可发酵粉状物和掺杂剂混掺并揉制成粉团，其中，酵母可发酵粉状物、酵母、高纯水和掺杂剂四者的质量比为100：0.5-2.5：40-60：0.5-10；再将粉团于20-50℃温度条件下发酵一到三次；
(2)将步骤(1)发酵好的粉团在于-18℃冷冻3～6h后，放在冷冻干燥器内真空度为0～20pa、温度-40℃～-45℃的条件下，冷冻干燥10～24h；
(3)将干燥后的面团放置在管式炉，持续通入气体流量为1.0～1.5l/s的氮气，升温至管内的温度达到700℃，然后保温两个小时；从而使粉团完全碳化，得到不同孔径的多孔掺杂碳电极，孔径范围在1～300μm，电极同时具有不同孔径的连通孔道，孔道直径在300～700μm，其中连通孔道上具有发酵产生的多孔；
(4)将制备好的碳电极放在反应釜内，于5m的氢氧化钾溶液中，放在80～180℃烘箱内加热2～12h，蚀刻发酵制备的电极，获得更多的介孔；
通过调控温度、时间、酵母菌添加量和发酵次数来调控孔径和孔隙率。
步骤(1)中揉制成粉团的步骤：将活化的酵母和水混合液加入到大部分酵母可发酵粉状物中，并揉制成粉团；将粉团放置在20～50℃条件下加热10～60min进行一次发酵后，将溶解的掺杂剂逐渐涂抹在发酵好的粉团上，同时逐渐添加剩余的酵母可发酵粉状物并揉制均匀，将揉好的粉团于20～50℃温度条件下继续进行10～60min的发酵。
步骤(1)中揉制成粉团的步骤：将酵母可发酵粉状物和掺杂剂混合均匀，然后加入活化的酵母和水混合液，并揉制成粉团，将揉好的粉团于20～50℃温度条件下继续进行10～60min的发酵。
将表面具有细柱的耐高温模板扣在步骤(1)发酵好的粉团上，扣在发酵的粉团的耐高温模板上的细柱的直径和间距根据需要进行调节；粉团根据需求制作成不同体积和形状。
所述的掺杂剂为金属单质、含金属化合物、含非金属化合物中的一种或两种以上混合。所述的含金属化合物为硝酸铁、氯化铜等；所述的含非金属化合物为含氮化合物如尿素、三聚氰胺等、含卤素化合物如氢氟酸、氟化钠等、含硫化合物等。
本发明的有益效果：本发明所采用的原材料为酵母可发酵粉状物和酵母，原料来源广泛简单易购买，通过调节发酵次数、时间、温度和酵母量调节孔径和孔隙率，孔径范围在1～300μm，电极同时具有不同孔径的连通孔道，孔道直径在300～700μm，同时连通孔道上具有发酵产生的多孔的结构，而且可以通过调节模板尺寸形状控制电极的形状。通过直接混掺或溶水混掺的方式掺杂一种或两种以上混合的掺杂剂，所述的掺杂剂可以为金属单质、含金属化合物、含非金属化合物中的一种或两种以上混合，掺杂方法简便通用，使制备的多孔碳电极具备不同的性能，制作工艺简单通用，成本低。
具体实施方式
以下结合技术方案，进一步详细说明本发明的具体实施步骤。
实施例1
(1)将面粉、酵母和高纯水按照100:1:50的质量比称量，高纯水加热至35℃左右，酵母与水混合活化10min，用活化的酵母和水混合液和面揉制成面团，将面团放置在烘箱内在35℃下发酵时间在分别为30min、40min、50min、60min进行一次发酵，发酵的面团进行揉和，再次将面团放在烘箱内在35℃下发酵10min。
(2)将步骤(1)发酵好的粉团在于-18℃冷冻6h后，放在冷冻干燥器内真空度为0pa、温度-45℃的条件下，冷冻干燥20h；
(3)将干燥后的面团放置在管式炉，管式炉中通氮气，并且气体流量为1.0-1.5l/s，持续通气；以5℃/min的升温速率开始升温至管内的温度达到700℃，然后保温两个小时；从而使面团完全碳化，得到不同孔径的多孔碳电极。
实施例2
(1)称量100g面粉、1g酵母、50g高纯水和1g尿素，将48g高纯水加热至35℃左右，酵母与水混合活化10min，将活化的酵母和水混合液加入到96g面粉中并揉制成面团，将面团放置在烘箱内在35℃下发酵40min。
(2)将尿素加入2g高纯水溶解，将溶液逐渐涂抹在发酵好的面团上，并逐渐添加剩余的4g面粉，将溶液、面团和面粉揉制均匀，将揉好的面团放置在烘箱内35℃下发酵10min。
(3)将步骤(1)发酵好的粉团在于-18℃冷冻6h后，放在冷冻干燥器内真空度为0pa、温度-45℃的条件下，冷冻干燥20h；
(4)将干燥后的面团放置在管式炉，管式炉管式炉中通氮气，并且气体流量为1.0-1.5l/s，持续通气；以5℃/min的升温速率升温至管内的温度达到700℃，然后保温两个小时；从而使面团完全碳化，得到氮掺杂的多孔碳电极。
实施例3
(1)称取1g硝酸铁用研钵研磨成粉末状。
(2)称量100g面粉、1g酵母和50g高纯水，将50g高纯水加热至35℃左右，酵母与水混合活化10min，将面粉和研磨好的硝酸铁混合均匀，然后加入活化的酵母和水混合液并揉制成面团，将面团放置在烘箱内在35℃下发酵30min。
(3)将步骤(1)发酵好的粉团在于-18℃冷冻6h后，放在冷冻干燥器内真空度为0pa、温度-45℃的条件下，冷冻干燥20h；
(4)将干燥后的面团放置在管式炉，管式炉管式炉中通氮气，并且气体流量为1.0-1.5l/s，持续通气；以5℃/min的升温速率开始升温至管内的温度达到700℃，然后保温两个小时；从而使面团完全碳化，得到铁氮共掺杂的多孔碳电极。
实施例4
(1)称量100g面粉、1g酵母和50g高纯水，将50g高纯水加热至35℃左右，酵母与水混合活化10min，加入活化的酵母和水混合液并揉制成面团，将面团放置在烘箱内在35℃下发酵30min。
(2)将插有铁丝的刚玉板扣在发酵好的粉团上，铁丝的直径分别为200μm、300μm。
(3)将步骤(1)发酵好的粉团在于-18℃冷冻6h后，放在冷冻干燥器内真空度为0pa、温度-45℃的条件下，冷冻干燥20h；
(4)将干燥后的面团放置在管式炉，管式炉管式炉中通氮气，并且气体流量为1.0-1.5l/s，持续通气；以5℃/min的升温速率开始升温至管内的温度达到700℃，然后保温两个小时；从而使面团完全碳化，从而得到具有连通孔道的多孔碳电极。
(5)碳化电极放置在反应釜内，加入50ml0.05m氢氧化钾溶液，放置在烘箱内180℃加热4h，经过氢氧化钾活化蚀刻，使孔道内产生介孔。