一种一步制备多孔氮掺杂炭材料的方法与流程

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种一步制备多孔氮掺杂炭材料的方法。

背景技术：

炭材料具备较大的比表面积和丰富的孔容结构，以及丰富的表面官能团，使其在很多领域有着广泛的应用前景；而杂原子掺杂的特别是氮掺杂的炭材料由于含有丰富的含氮官能团，可进一步改善多孔炭材料的导电性和电催化活性，具备优异的光学、机械、电子、储能能力，在气体吸附、油中含硫及含氮物质的吸附、电极材料、催化剂载体等领域具备很好的应用前景。

传统多孔炭材料(尤其微孔炭材料)涉及的制备过程比较复杂，通常包括气相沉积法、水热法和模板法等。气相沉积法主要将气态原料在反应室内反应，并沉积在晶片上形成所需炭材料；水热法是通常将炭源前驱体溶于水溶液中，在一定的温度和压力下，使得反应体系达到亚临界或者超临界流体状态，从而形成一系列孔道的炭材料；模板法一般是将炭源注入到模板的孔道中或者将模板占据，再通过热处理固定炭结构后将模板剂洗去从而得到了所需多孔炭材料。而在炭材料中引入氮又通常包括如下两种方法：一种是在苛刻的条件下形成炭材料，再将炭材料在含氮的气体或液体中进行高温处理；另一种是将含氮的有机物作为前驱体原料，在合成的过程中加入到炭材料中。

目前，传统炭材料的制备方法存在合成工序复杂、过程不环保、孔径无法控制、不适用于大批量生产等问题，尤其在引入氮源后，更加大了工艺难度，并且步骤变得更加的繁琐，成本也相应提高。因此，一种以廉价原料通过绿色简便的方法合成氮掺杂炭材料的方法成为当今最迫切的需求。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，一步可控制备均匀多孔氮掺杂炭材料的方法，它以有机糖为炭源、尿素为氮源，尿素同时用作气体模板剂和造孔剂，实现一步原位生成具有均匀多孔结构的氮掺杂炭材料，所得氮掺杂炭材料具有均匀而丰富的微孔-介孔分级孔道结构，比表面积高且易于可调，具有重要的研究和应用意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种一步制备多孔氮掺杂炭材料的方法，包括如下步骤：

1)将糖类和尿素混合并加热融化，得胶状物；

2)将所得胶状物进行搅拌加热，得透明澄清的胶体溶液；

3)将所得胶体溶液进行烘干，形成黑色蓬松泡沫状固体；

4)将所得泡沫状固体进行研磨，然后在保护气氛中煅烧，冷却，即得多孔氮掺杂炭材料。

上述方案中，步骤1)中所述加热条件为80-100℃。

上述方案中，步骤2)中所述搅拌加热温度为100-120℃，搅拌条件为磁力搅拌。

上述方案中，所述糖类包含但不限于葡萄糖、果糖、蔗糖、麦芽糖、淀粉、纤维素、核糖、乳糖中的一种或几种。

上述方案中，所述糖类与尿素的质量比为1:(0.1-10)。

上述方案中，所述烘干步骤采用普通干燥箱烘干或微波辅助干燥；其中普通干燥箱采用的烘干温度为120-280℃，时间为4-24h；微波辅助干燥采用的功率为500～1000w，时间为3～30min。

上述方案中，所述保护气氛包含但不限于氮气、氩气、氢气-氩气混合气中的一种。

上述方案中，所述煅烧步骤为:首先升温至240-380℃预处理2-6h，然后升温至600-900℃，保温5-10h。

根据上述方案制备的多孔氮掺杂炭材料，它具有均匀而丰富的多孔结构(具有微孔和介孔的分级孔隙)，并可实现氮掺杂量、孔隙率和比表面积的可控调节，比表面积可在400-1300m²/g之间可控调节；具备优异的光学、机械、电子、储能能力，在气体吸附、油中含硫及含氮物质的吸附、电极材料、催化剂载体等领域具备很好的应用前景。

本发明的原理为：

本发明采用有机糖作为碳源，以尿素为氮源和气体模板剂，将有机糖和尿素在一定温度下以一定的比例熔融，形成均相体系，然后进行烘干初步快速去除剩余溶剂，再进行高温处理使有机糖在高温下聚合炭化，且尿素分解产生气体，气体在呈流体的熔融炭中吹泡形成均匀的微孔通道，同步构建微孔炭结构并实现氮元素的有效掺杂，进而得到多孔氮掺杂炭材料；且本发明可实现高表面积多孔炭材料的一步合成，无需额外引入活化剂活化炭材料等步骤，涉及的制备方法简单易控，具有重要的研究和推广价值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1)本发明首次提出以有机糖为碳源，尿素为氮源和气体模板剂，将二者按比例熔融形成均相体系，实现多孔氮掺杂炭材料的一步合成，所得氮掺杂炭材料具有均匀而丰富的多孔结构，可为氮掺杂多孔炭的制备提供一条全新思路。

2)本发明采用无水合成体系，涉及的合成过程中简单易行，重复性好，产物产量大，且原料来源广、成本低，环境友好，适合推广应用。

3)该方法可以灵活调控氮掺杂炭材料的氮掺杂量、孔隙率和比表面积，在氮掺杂炭材料的合成方面有重要的意义。

附图说明

图1为实施例1所得多孔氮掺杂炭材料的氮气吸附/脱附曲线。

图2为实施例2所得多孔氮掺杂炭材料的氮气吸附/脱附曲线。

图3为实施例2所得多孔氮掺杂炭材料的xps图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1

一种多孔氮掺杂炭材料，其制备方法包括如下步骤：

1)分别称取1g葡萄糖和1g尿素置于小烧杯中，在90℃条件下保温30min，使混合固体缓慢融化，形成胶状物；

2)将所得胶状物继续升温至120℃，并磁力搅拌2h左右，形成透明澄清的褐色胶体溶液；

3)将所得胶体溶液置于微波炉中以900w的功率微波5min形成黑色蓬松泡沫状固体，研磨后得到黄褐色固体；

4)将所得黄褐色固体在氮气气氛下，于350℃预处理4小时，再升温至900℃处理10小时，待冷却至室温，即得多孔氮掺杂炭材料。

图1为本发明所得产物的氮气吸附/脱附曲线，可以看出，存在滞后环，说明所得产物具有微孔和介孔的分级孔隙，所得产物的比表面积为1304.8m²/g，微孔比表面积为1096.6m²/g，介孔比表面积为208.2m²/g。

实施例2

一种多孔氮掺杂炭材料，其制备方法包括如下步骤：

1)分别称取1g葡萄糖和2g尿素置于小烧杯中，在100℃条件下保温30min，使混合固体缓慢融化，形成胶状物；

2)将所得胶状物继续升温至120℃，并磁力搅拌2h左右，形成透明澄清的褐色胶体溶液；

3)将所得胶体溶液置于微波炉中以900w的功率微波5min形成黑色蓬松泡沫状固体，研磨后得到黄褐色固体；

4)将所得黄褐色固体在氮气气氛下，于350℃预处理4h，再升温至700℃处理10h，待冷却至室温，即得多孔氮掺杂炭材料。

图2为本发明所得产物的氮气吸附/脱附曲线，可以看出，存在滞后环，说明所得产物具有微孔和介孔的分级孔隙，所得产物的比表面积为564.2m²/g，微孔比表面积为533.8m²/g，介孔比表面积为30.4m²/g。

图3为本实施例所得产物的xps图，可以看出本发明所得产物中主要以吡啶氮的形式实现氮掺杂，可显著提高所得产物的导电性和电催化性能。

实施例3

一种多孔氮掺杂炭材料，其制备方法包括如下步骤：

1)分别称取2g蔗糖和1g尿素置于小烧杯中，在90℃条件下保温30min，使混合固体缓慢融化，形成胶状物；

2)将所得胶状物继续升温至120℃，并磁力搅拌2h左右，形成透明澄清的褐色胶体溶液；

3)将所得胶体溶液置于微波炉中以900w的功率微波5min形成黑色蓬松泡沫状固体，研磨后得到黄褐色固体；

4)将所得黄褐色固体在氮气气氛下，于350℃预处理4h，再升温至800℃处理10h，待冷却至室温，即得多孔氮掺杂炭材料。

实施例4

一种多孔氮掺杂炭材料，其制备方法包括如下步骤：

1)分别称取1g葡萄糖和2g尿素置于小烧杯中，在100℃条件下保温30min，使混合固体缓慢融化，形成胶状物；

2)将所得胶状物继续升温至120℃，并磁力搅拌2h左右，形成透明澄清的褐色胶体溶液；

3)所得胶体溶液置于微波炉中以900w的功率微波5min形成黑色蓬松泡沫状固体，研磨后得到黄褐色固体；

4)将所得黄褐色固体进行研磨，并在氮气气氛下，于350℃预处理4h，再升温至850℃处理10h，待冷却至室温，即得多孔氮掺杂炭材料。

实施例5

一种多孔氮掺杂炭材料，其制备方法包括如下步骤：

1)分别称取3g葡萄糖和5g尿素置于小烧杯中，在90℃条件下保温30min，使混合固体缓慢融化，形成胶状物；

2)将所得胶状物继续升温至120℃，并磁力搅拌2h左右，形成透明澄清的褐色胶体溶液；

3)将所得胶体溶液置于微波炉中以900w的功率微波5min形成黑色蓬松泡沫状固体，研磨后得到黄褐色固体；

4)将所得黄褐色固体在氮气气氛下，于350℃预处理4h，再升温至900℃处理10h，待冷却至室温，即得多孔氮掺杂炭材料。

本发明所列举的各原料都能实现本发明，以及各原料的上下限取值、区间值都能实现本发明；在此不一一列举实施例。本发明的工艺参数的上下限取值、区间值都能实现本发明，在此不一一列举实施例。