一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法及其应用与流程

本发明涉及微纳米复合材料合成技术领域，具体涉及一种金属有机框架(mofs)为前驱体，结合氩气退火处理获得氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法及其应用。

背景技术：

金属有机结构框架(mofs)是由过渡金属离子与含氧、氮等不同有机配体通过共价键或者离子-共价键配位自组装而形成的具有周期性的多孔晶体配位聚合物材料，又称为多孔配聚合物(porouscoordinationpolymer，pcp)。mofs可以通过不同的金属离子与有机配体络合，设计和制造具有不同孔隙结构和不同物理与化学特性的金属有机框架。mofs具有以下特征：多孔性、高比表面积、具有不饱和金属活性位点、孔道尺寸可设计和孔道表面可功能化等。在催化、能源储存与转化和气体吸附与分离等多个领域中表现出了优良的性能。它作为一种多功能材料，合成mofs的材料可以使成本较低的原材料具有低的框架密度和高的热稳定性，这些优势使mofs成为能源材料的候选材料。因此本发明制备的氮掺杂多孔碳的二维结构，结合了多孔碳的大比表面积，提供更多存储钾离子的活性位点，在钾离子的嵌入与脱出过程中对材料的体积膨胀起到有效的缓冲作用；氮掺杂带来了大量的晶体缺陷，贡献更高的比容量。进一步扩展了mofs材料的应用领域，使mof材料的大比表面、高孔隙率和可修饰性这些结构特点得到了充分发挥，具有很大的实际利用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于：提供一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法，旨在开发应用于高性能钾离子电池的电极材料。材料制备方法简单，成本低，具有广泛的应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氮掺杂多孔碳的二维结构的制备方法，包括以下步骤：

(1)将2-甲基咪唑粉末溶于甲醇中，形成溶液a，置于水浴锅中搅拌；

(2)将zn-hmt粉末溶于甲醇中，形成溶液b；

(3)将溶液b缓慢加入到溶液a中，置于水浴锅中搅拌后，将产物离心分离，用乙醇洗涤后，置于烘箱中烘干，得到zif-8二维结构；

(4)zif-8二维结构粉末经过氩气保护退火，得到氮掺杂多孔碳的二维结构(可能含锌)；

(5)将氮掺杂多孔碳的二维材料(可能含锌)置于硝酸溶液中，水浴锅中搅拌反应后将产物离心分离，再用乙醇洗涤干净，置于烘箱中烘干后，得到纯的氮掺杂多孔碳的二维结构。

优选地，步骤(1)中，溶液a中2-甲基咪唑的浓度为0.974moll^-1，水浴锅中的温度为30℃；

优选地，步骤(2)中，溶液b的浓度为1.828gl^-1。

优选地，步骤(3)中，水浴锅中的温度为30℃，搅拌时间为15min；烘箱的温度为75-85℃。

优选地，步骤(4)中，退火温度为900℃，保温时间为2小时；

优选地，步骤(5)中，硝酸溶液中浓硝酸与水的体积比为1:2。

优选地，步骤(5)中，水浴温度为75-85℃，水浴时间为23-25h。

优选地，步骤(5)中，烘箱的温度为75-85℃。

进一步地，所制备的氮掺杂多孔碳的二维结构能够用于高性能钾离子电池的负极材料。

本发明与现有技术相比，其有益技术效果表现在：

1、本发明制备的氮掺杂多孔碳的二维结构，一方面实现了金属离子和特定的mof材料形成复合结构，再通过高温煅烧处理得到多孔碳的结构，充分发挥了mof材料大比表面积、高孔隙率和可修饰性的结构特点。另一方面，多孔碳材料不仅本身具有高的比表面积、优良的电子传输速率和好的稳定性，经过氮掺杂多孔碳，不仅可以增强多孔碳材料的导电性、降低其价带等物理性质，而且还可以增加其表面润湿能力、改善其催化活性和吸附能力等化学性质，进一步提高其电化学性能，这也为氮掺杂多孔碳的二维结构的制备提供了一个新的方法；

2、传统方法合成的zif-8都是实心颗粒结构，本发明成功制备二维片状结构的zif-8，且本发明的制备方法简单易操作，安全无污染，成本低廉。

3、本发明制备的氮掺杂多孔碳的二维结构可以应用于电化学能量存储，分离与纯化以及药物缓释等领域。

附图说明

图1为实施例1制备的zn-hmt的fesem图。

图2为实施例2制备的zif-8二维纳米片结构的fesem图和tem图。

图3为实施例2制备的氮掺杂多孔碳的二维结构的fesem和tem图。

图4为实施例2制备的zif-8二维纳米片结构的xrd图。

图5为实施例3制备的氮掺杂多孔碳的二维结构的电化学性能图。

具体实施方式

为了便于本领域人员理解，下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

实施例1、zn-hmt粉末的制备

(1)将4.24g的六水合硝酸锌溶于30ml的乙醇中形成溶液a，将1.0g六次甲基四胺的加到50ml的乙醇中，在室温中搅拌直至全部溶解形成溶液b，将溶液a加到溶液b中，在室温下持续搅拌反应15min；

(2)将产物分别离心分离，用乙醇洗涤干净后，置于80℃烘箱中烘干，得到锌-六次甲基四胺粉末，简称zn-hmt粉末。

图1为本实施例制备的zn-hmt的fesem图，纳米片的厚度为10-20纳米。

实施例2、zif-8二维纳米片结构和氮掺杂多孔碳的二维结构的制备(1)将4.0g2-甲基咪唑溶于50ml的甲醇，形成溶液a，在30℃的水浴锅中搅拌，将0.0366gzn-hmt粉末溶于20ml甲醇形成溶液b，将溶液b倒入溶液a中，在30℃的水浴锅中搅拌反应15min。

(2)将产物离心分离，用乙醇洗涤干净后，置于80℃烘箱中烘干，得到zif-8二维结构。

(3)将zif-8二维结构进行900℃氩气退火，在硝酸溶液中酸洗，在80℃条件下搅拌24h，将产物离心分离，用乙醇洗涤3遍，然后将产物置于80℃烘箱中烘干，得到氮掺杂多孔碳的二维结构。

图2为本实施例制备的zif-8二维结构的fesem和tem图。图3为本实施例制备的氮掺杂多孔碳900℃二维结构的fesem和tem图。可以发现原有纳米片转化为大量的颗粒，形成了二维结构。图4为本实施例制备的二维片状zif-8结构的xrd图，对应的2θ分别为7.48°、10.52°、12.84°、14.92°、16.60°和18.12°，与文献报道的标准峰位置相对应，说明zn-hmt成功转化为zif-8晶体。

实施例3、氮掺杂多孔碳的二维结构的性能测试

(1)将氮掺杂多孔碳的二维结构与导电炭黑以及pvdf按照质量比7:1:2均匀混合溶于1-甲基-2-吡咯烷酮(nmp)中，制成浆液，然后均匀涂覆于铜箔集流体上，置于60℃真空干燥箱中烘干24h。

(2)将烘干后的铜箔集流体切片制成工作电极，玻璃纤维为隔膜，电解液为二元电解液，在充满氩气的手套箱中组装成2032纽扣电池，测试电压范围为0.01v-3vvsk⁺/k。

图5是实施例3制备的氮掺杂多孔碳的二维结构钾电化学存储钾离子性能图。可以看出氮掺杂多孔碳的二维结构的钾电性能较好。

以上实施例，均是本发明较为典型的实施例，并非对本发明的任何限制，例如，反应浓度，反应时间，水浴温度，退火温度等都可进一步调整。因此，根据本发明的总体思路，所属本技术领域的技术人员所描述的工艺参数做调整和修改的，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。