氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法，该方法以琼脂作为碳前驱物和模板，三聚氰胺与尿酸作为碳氮前驱物，制备成分散均匀的水凝胶，干燥成膜，在一定温度下碳化即可得到产品。本发明方法耗时短、步骤简单,制备出的材料具有蜂巢状有序多孔。可应用于电化学、催化剂负载、光催化和电容器等方面。
【专利说明】氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种碳材料制备技术，特别涉及一种氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳材料因为其原料丰富、成本相对低廉、工艺程序简单、优良的物理化学性能，被认为是最有工业化前景的的材料之一。
[0003]多孔碳材料由于其特有的结构，赋予了其特有的化学稳定性，使其在电化学、催化剂负载、光催化和电容器等方面被广泛应用。
随着该领域的蓬勃发展，多孔碳材料也越来越受到科学家和研究者的关注，这是由于此类材料在电子学、催化以及氢气储存等方面都具有独特的优势。有序的孔碳材料因其具有规则的孔道排列，而表现出更为特殊的性质，吸引了许多科学工作者进行此类材料的合成和性质研究。有序的多孔碳材料通常采用多孔材料作为硬模板合成。多孔材料具有特定排列的孔道，具有空间限制效应，可以使碳在孔道中生长，起到硬模板的作用。较常用的多孔材料包括微孔沸石、氧化铝薄膜等。最近二氧化硅介孔材料也逐渐被采用，由于介孔二氧化硅材料的无机墙由无定型的二氧化硅组成，表面具有丰富的羟基，容易与有机碳前驱物发生相互作用，且此类介孔材料具有高度有序的孔道，这些特点对于合成有序的多孔碳材料是非常有利的。此外，对多孔碳材料进行杂质原子掺杂，可以获得一定量的赝电容，进一步提高多孔碳材料的电 容值。Roberto C.Dante等人(Roberto C.Dante et al,Materials Chemistry and Physics, 130 (2011) 1094 - 1102)通过氧化招作为模板，三聚氰胺与尿酸直接混合碳化，制备了石墨相氮掺杂碳材料。
[0004]但是多孔碳材料合成，大多依赖于模板法和表面活性剂，其过程相对繁琐、成本偏闻和不易于调控。
【发明内容】
[0005]本发明的目的为现有技术公开一种新的简单方法，可制备出氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料。本发明方法耗时短、步骤简单，制备出的材料具有特殊的形貌。
[0006]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法以琼脂粉作为碳前驱物和模板，三聚氰胺与尿酸作为碳氮前驱物，制备成分散均匀的水凝胶，干燥成膜，在一定温度下碳化即可得到产品。
[0007]上述利用简单的原料、简单装置以及简单步骤的反应体系，该方法具体包括以下步骤:
(I)在一定量的沸水中加入适量尿酸与三聚氰胺，加热搅拌使两者都全部溶解，然后在水溶液中加入一定量的琼脂粉，加热搅拌10分钟，使溶液澄清透明，该澄清透明溶液体系中，其中尿酸浓度为lmmol/L，三聚氰胺浓度为2-lOmmol/L，琼脂粉重量为1%。[0008](2)取步骤(1)中澄清溶液适量，冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜。
[0009](3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下700°C碳化l_2h，既得产品。
[0010]本发明的法不仅制备过程简单，原料易得、设备简单、易操作，能够制备出氮掺杂蜂巢状有序多孔碳材料，结构新型有序，制备成本低，应用于超级电容器电极材料或者光催化负载材料。机理:三聚氰胺与尿酸也能形成二维大分子网格结构，然后通过加入琼脂粉在水溶液中形成三维网络的超分子结构，将三聚氢胺与尿酸掺入琼脂体系中，同时三聚氰胺与尿酸都是高含氮物质，高温碳化下，可以将其网络状结构保持，并掺入氮元素。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1为实施例1的扫描电镜图。
[0012]图2为实施例2的扫描电镜图。
[0013]图3为实施例3的扫描电镜图。
[0014]图4为实施例4的扫描电镜图。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例中参与反应体系的所有原料均为市售，琼脂粉，三聚氰胺，尿酸均购于中国医药集团上海化学试剂公司，以上的化学试剂均为分析纯，未经纯化直接使用的。
[0016]实施例1
(I)在100mL水中加热沸腾，在水溶液中加入Ig琼脂粉，保持微沸搅拌10分钟，使溶液
澄清透明。
[0017](2)取步骤(1)中澄清溶液20ml，加入到表面皿中，室温冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜。
[0018](3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下500°C碳化2h，既得产品。
[0019]通过对产品形貌表征，发现没有添加三聚氰胺与尿酸，500°C条件下，材料为光滑表面碳材料，如图1所示(Hitachi S4800型高分辨场发射扫描电镜，放大2000倍)。
[0020]实施例2
(I)在100mL水中加热沸腾，在水溶液中加入Ig琼脂粉，保持微沸搅拌10分钟，使溶液
澄清透明。
[0021](2)取步骤(1)中澄清溶液20ml，加入到表面皿中，室温冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜。
[0022](3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下700°C碳化2h，既得产品。
[0023]通过对产品形貌表征，发现没有添加三聚氰胺与尿酸，700°C条件下，材料为网络纤维状碳材料，如图2所示(Phenom G2 SEM放大4800倍)。
[0024]实施例3
(I)在100mL水中加入0.1mmol尿酸与0.2mmol三聚氰胺，加热沸腾，搅拌使两者都全部溶解，然后在水溶液中加入Ig琼脂粉，保持微沸搅拌10分钟，使溶液澄清透明。该澄清透明溶液体系中，其中尿酸浓度为lmmol/L,三聚氰胺浓度为2mmol/L,琼脂粉重量为1%。
[0025](2)取步骤(1)中澄清溶液20ml，加入到表面皿中，室温冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜。
[0026](3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下700°C碳化2h，既得产品。
[0027]通过对产品形貌表征，发现添加了三聚氰胺与尿酸之后，700°C条件下，材料为有序蜂窝状多孔碳材料，如图3所示(Phenom G2 SEM放大2850倍)。
[0028]实施例4
(1)在100mL水中加入0.1mmol尿酸与Immol三聚氰胺,加热沸腾,搅拌使两者都全部溶解，然后在水溶液中加入Ig琼脂粉，保持微沸搅拌10分钟，使溶液澄清透明。该澄清透明溶液体系中，其中尿酸浓度为lmmol/L,三聚氰胺浓度为10mmol/L,琼脂粉重量为1%。
[0029](2)取步骤(1)中澄清溶液20ml，加入到表面皿中，室温冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜。
[0030](3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下700°C碳化2h，既得产品。
[0031]通过对产品形貌表征，与实施例3相比发现添加过量三聚氰胺，700°C条件下，材料为有序蜂窝状多孔碳材料，并且孔型更小，孔壁表面有小孔形成。如图4所示(HitachiS4800型高分辨场发射扫描电镜，放大30000倍)。
【权利要求】
1.一种氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法以琼脂粉作为碳前驱物和模板，三聚氰胺与尿酸作为碳氮前驱物，制备成分散均匀的水凝胶，干燥成膜，在一定温度下碳化即可得到产品。
2.如权利要求1所述的氮掺杂新型蜂巢状有序多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤: (1)在一定量的沸水中加入适量尿酸与三聚氰胺，加热搅拌使两者都全部溶解，然后在水溶液中加入一定量的琼脂粉，加热搅拌10分钟，使溶液澄清透明，该澄清透明溶液体系中，其中尿酸浓度为lmmol/L，三聚氰胺浓度为2-lOmmol/L，琼脂粉重量为1%; (2)取步骤(1)中澄清溶液适量，冷却成凝胶态，然后60°C脱水干燥成膜； (3)将步骤(2)中膜在N2惰性气氛下700°C碳化l_2h，既得产品。
【文档编号】C01B31/02GK103922308SQ201410129444
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】吴庆生, 夏一鸣 申请人:同济大学