一种氮掺杂有序介孔碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于介孔材料领域，公开了一种氮掺杂有序介孔碳材料及其制备方法。所述制备方法为：将浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀后，加入硅基介孔材料SBA‑15得到乳白色悬浮液A；然后将A在90～100℃干燥，再升温至150～170℃进行碳化得到固体B；将固体B研磨成粉末状后再次加入浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀，重复干燥和碳化过程，然后在900～1000℃焙烧得到固体C；将固体C脱除SBA‑15模板，得到有序介孔碳，然后将其与氮源研磨混合均匀，在900～1000℃焙烧3～6h，得到产物。本发明专利技术的方法不仅可以避免在真空条件下焙烧，而且能够有效简化操作程序并大幅度降低材料的制备成本。

Nitrogen doped ordered mesoporous carbon material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of mesoporous materials, and discloses a nitrogen doped ordered mesoporous carbon material and a preparation method thereof. The preparation method is as follows: the concentrated sulfuric acid, mixed sucrose and deionized water evenly, adding SBA silica based mesoporous materials obtained 15 milky white suspension A; then A at 90 to 100 DEG C and then drying, heating to 150 to 170 DEG C to obtain solid carbide B; solid B grinding into powder like again after adding concentrated sulfuric acid, mixed sucrose and deionized water evenly, repeated drying and carbonization process, and then in the 900 to 1000 DEG C calcined solid C; solid C SBA removal 15 template to obtain an ordered mesoporous carbon, and the nitrogen source and grinding mixing at 900 ~ 1000 C ~ 3 roasting 6h, get the product. The method of the invention can not only avoid roasting under the vacuum condition, but also can effectively simplify the operation procedure and greatly reduce the preparation cost of the material.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂有序介孔碳材料及其制备方法
本专利技术属于介孔材料领域，具体涉及一种氮掺杂有序介孔碳材料及其制备方法。
技术介绍
有序介孔碳(Orderedmesoporouscarbon，OMC)作为一种新型导电载体被广泛用于氧还原反应催化剂的研究中。OMC载体具有高表面积、孔容大、孔径分布集中和良好的孔道稳定性等优点，利于反应物和生成物的分子转移，在燃料电池的应用中能够有效提高电化学的催化活性。此外，随着对非金属杂原子认识的不断深入，将一些非金属元素，如氮、硼、磷以及氟等掺杂到OMC的介孔孔道内，应运而生的诸多非金属杂原子掺杂碳材料已有望取代价格昂贵的铂催化剂。有序介孔碳主要通过有序介孔硅硬模板方法制备。这种方法通常选用具有特殊空隙的介孔硅材料，如SBA-15(一种硅基介孔材料，以SantaBarbaraAmorphousNo.15命名)作为硬模板，与蔗糖进行混合后，使碳在模板材料的孔道中发生反应，然后高温焙烧并除去模板，得到介孔碳材料。以往的焙烧均在真空炉中进行，这样势必提高了设备成本。此外，在以往的研究中一般采用氨气(AppliedSurfaceScience393(2017)144-150)、浓硝酸(AppliedCatalysisB:Environmental147(2014)633-641)、吡咯(Nanoscale,8(2016)19086-19092)或酞菁(JournalofPowerSources293(2015)511-518；JournalofPowerSources264(2014)114-122)等作为氮的前驱体，这些氮源或者腐蚀性大，或者价格昂贵、来源稀少，虽然合成的含氮介孔碳材料能够用于燃料电池中，但是高昂的催化剂成本不利于其大规模应用。因此，寻找一种具有工艺简单、操作方便、价格低廉等优点的氮掺杂介孔碳材料的制备方法已成为该领域的研究热点。
技术实现思路
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种氮掺杂有序介孔碳材料的制备方法。该方法不仅可以避免在真空条件下焙烧，又能够有效简化操作程序，并大幅度降低材料的制备成本。本专利技术的另一目的在于提供一种通过上述方法制备得到的氮掺杂有序介孔碳材料。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种氮掺杂有序介孔碳材料的制备方法，包括以下制备步骤：(1)将浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀后，加入硅基介孔材料SBA-15(作为硬模板)，得到乳白色悬浮液A；(2)将A在90～100℃进行干燥6～8小时后，再升温至150～170℃进行碳化5～7小时，得到固体B；(3)将固体B研磨成粉末状后再次加入浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙烧3～6小时，得到固体C；(4)将固体C在氢氧化钠的乙醇水溶液中加热回流脱除SBA-15模板，所得固体产物经洗涤、干燥，得到固体D；(5)将固体D与氮源研磨混合均匀，在900～1000℃焙烧3～6小时，得到氮掺杂有序介孔碳材料。优选地，步骤(3)和步骤(5)中所述的焙烧气氛为氮气氛围。优选地，步骤(4)中所述氢氧化钠的乙醇水溶液是指1～2mol/LNaOH的乙醇水溶液。优选地，步骤(5)中所述的氮源为三聚氰胺，所述三聚氰胺与固体D的质量比为(2～70):1。一种氮掺杂有序介孔碳材料，通过上述方法制备得到，所述氮掺杂有序介孔碳材料的孔容为10.5～11.5cm3/g，孔径为3.70～3.90nm，比表面积为970～1250m2/g。本专利技术的制备方法及所得到的产物具有如下优点及有益效果：(1)本专利技术采用在氮气氛围中高温焙烧出有序度高的介孔碳材料；(2)本专利技术采用三聚氰胺为氮源，其原料价格低廉，方便易得；(3)本专利技术引入氮元素的操作方法简单，无需真空设备；(4)本专利技术所得产物具有规则的孔道结构，引入的氮元素在高温焙烧过程中可以有序进入到介孔碳材料的孔道中；(5)本专利技术的制备方法由于氮源在与介孔碳同时进行高温焙烧，因此可以确保在不破坏介孔碳材料规整结构的前提下，最大含量地添加氮元素。附图说明图1为本专利技术实施例3、实施例5和实施例6所得氮掺杂有序介孔碳材料的透射电子显微镜谱图。具体实施方式下面结合实施例及附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例1本实施例的一种氮掺杂有序介孔碳材料N2-OMC的制备(2为三聚氰胺和OMC的质量比)：称取0.14g浓硫酸、1.25g蔗糖和5g去离子水，混合均匀后加入1gSBA-15硅基固体得到乳白色悬浮液，然后将乳白色悬浮液置于鼓风干燥箱中，在90℃下干燥7小时，再升温至160℃碳化6小时。取出棕褐色固体研磨成粉末状，向其中加入0.09g浓硫酸、0.8g蔗糖和5g去离子水后，重复上述干燥及碳化操作。将碳化后的产物在管式炉中氮气气氛下升温至900℃进行5小时的高温焙烧。然后用含2mol/LNaOH的乙醇水溶液(乙醇:水＝1:1，体积比)加热回流4小时脱除模板剂SBA-15，此操作在100℃的油浴中进行，并重复两次。将所得固体用去离子水和乙醇溶液充分洗涤后，放入鼓风干燥箱中，在120℃干燥2小时，得到有序介孔碳(OMC)。称取0.2g三聚氰胺和0.1gOMC在研钵中研磨3小时使其混合均匀，再将固体混合物放入管式炉中在氮气氛围中900℃焙烧5小时，得到氮掺杂OMC有序介孔碳材料N2-OMC。本实例所合成N2-OMC的孔容为11.08cm3/g，孔径为3.90nm，比表面积为1230m2/g。实施例2本实施例的一种氮掺杂有序介孔碳材料N5-OMC的制备(5为三聚氰胺和OMC的质量比)：称取0.14g浓硫酸、1.25g蔗糖和5g去离子水，混合均匀后加入1gSBA-15硅基固体得到乳白色悬浮液，然后将乳白色悬浮液置于鼓风干燥箱中，在100℃下干燥6小时，再升温至170℃碳化5小时。取出棕褐色固体研磨成粉末状，向其中加入0.09g浓硫酸、0.8g蔗糖和5g去离子水后，重复上述干燥及碳化操作。将碳化后的产物在管式炉中氮气气氛下升温至1000℃进行3小时的高温焙烧。然后用含2mol/LNaOH的乙醇水溶液(乙醇:水＝1:1，体积比)加热回流4小时脱除模板剂SBA-15，此操作在100℃的油浴中进行，并重复两次。将所得固体用去离子水和乙醇溶液充分洗涤后，放入鼓风干燥箱中，在120℃干燥2小时，得到有序介孔碳(OMC)。称取0.5g三聚氰胺和0.1gOMC在研钵中研磨3小时使其混合均匀，再将固体混合物放入管式炉中在氮气氛围中1000℃焙烧3小时，得到氮掺杂OMC有序介孔碳材料N5-OMC。本实例所合成N5-OMC的孔容为11.20cm3/g，孔径为3.75nm，比表面积为992m2/g。实施例3本实施例的一种氮掺杂有序介孔碳材料N10-OMC的制备(10为三聚氰胺和OMC的质量比)：称取0.14g浓硫酸、1.25g蔗糖和5g去离子水，混合均匀后加入1gSBA-15硅基固体得到乳白色悬浮液，然后将乳白色悬浮液置于鼓风干燥箱中，在100℃下干燥7小时，再升温至150℃碳化8小时。取出棕褐色固体研磨成粉末状，向其中加入0.09g浓硫酸、0.8g蔗糖和5g去离子水后，重复上述干燥及碳化操作。将碳化后的产物在管式炉中氮气本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种氮掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：(1)将浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀后，加入硅基介孔材料SBA‑15，得到乳白色悬浮液A；(2)将A在90～100℃进行干燥6～8小时后，再升温至150～170℃进行碳化5～7小时，得到固体B；(3)将固体B研磨成粉末状后再次加入浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙烧3～6小时，得到固体C；(4)将固体C在氢氧化钠的乙醇水溶液中加热回流脱除SBA‑15模板，所得固体产物经洗涤、干燥，得到固体D；(5)将固体D与氮源研磨混合均匀，在900～1000℃焙烧3～6小时，得到氮掺杂有序介孔碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂有序介孔碳材料的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤：(1)将浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀后，加入硅基介孔材料SBA-15，得到乳白色悬浮液A；(2)将A在90～100℃进行干燥6～8小时后，再升温至150～170℃进行碳化5～7小时，得到固体B；(3)将固体B研磨成粉末状后再次加入浓硫酸、蔗糖和去离子水混合均匀，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙烧3～6小时，得到固体C；(4)将固体C在氢氧化钠的乙醇水溶液中加热回流脱除SBA-15模板，所得固体产物经洗涤、干燥，得到固体D；(5)将固体D与氮源研磨混合均匀，在900～1000℃焙烧3～6小时，得到氮掺杂有序介孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂...

【专利技术属性】
技术研发人员：王秀军，黄伟豪，何珍珍，李白滔，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44