一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及纳米材料技术领域，尤其涉及一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用。所述制备掺氮多孔碳的方法包括以下步骤：S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。该方法的原材料容易获得、无毒无害、成本低；其次不需模板剂，且活化剂氯化钙无腐蚀性；此外制备流程简单、设备要求低、过程环保，适合大规模的推广应用。以绿豆粉为原料通过简单的热解法制备得到掺氮多孔碳具有较大的比表面积和大量的孔隙结构，性能优良。

A Nitrogen-doped Porous Carbon and Its Preparation Method and Application

The invention relates to the technical field of nanomaterials, in particular to a nitrogen-doped porous carbon and its preparation method and application. The method for preparing nitrogen-doped porous carbon includes the following steps: S1: adding mung bean powder into water, stirring evenly, then adding activator and urea to obtain the mixture; S2: stirring the mixture obtained from S1, fully reacting, drying, and obtaining the reactant; S3: calcining the reactant obtained from S2 in inert gas atmosphere, then acid treatment, and obtaining the reactant. Nitrogen-doped porous carbon. The raw materials of this method are easy to obtain, non-toxic, harmless and low cost; secondly, template agent is not needed, and activator calcium chloride is non-corrosive; moreover, the preparation process is simple, the equipment requirements are low, and the process is environmentally friendly, which is suitable for large-scale application. Nitrogen-doped porous carbon was prepared from mung bean powder by simple pyrolysis method. It has a large specific surface area and a large number of porous structure, and has excellent performance.

【技术实现步骤摘要】
一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用
本专利技术涉及纳米材料
，尤其涉及一种掺氮多孔碳及其制备方法和应用。
技术介绍
碳基材料在硬度、光学特性、耐热性、耐辐射特性、耐化学药品特性、电绝缘性、导电性、表面与界面特性等方面具有优异的性能，在力学、能源、电子器件、催化等相关领域也受到广泛的关注。其中，多孔材料是指具有一定孔隙结构的碳材料，根据化学联合会(IUPAC)的分类，将多孔材料分为三类：孔径小于2nm的微孔材料、孔径大于50nm的大孔材料和介于2～50nm的介孔材料。多孔材料具有高比表面积、高热导率、高电导率、高稳定性、高化学惰性和低密度等优点，在超级电容器、催化载体、有机生物分子吸附载体等领域有广阔的应用前景。研究发现，若在碳材料中适当地掺杂其他元素，可以改变碳材料的晶体结构和电子结构，从而使其物理、化学性质优于普通碳材料。杂原子掺杂可以提升碳材料性能，扩大其在能量储存、转换装置中的应用潜力。掺氮介孔碳材料在碱液中表现出显著的催化氧还原反应活性和高的超级电容器比电容[梁群英,苏红,闫晶,等.催化学报,2014,35(7):1078-1083.]。虽然氮掺杂的碳材料由于其优异的性能越来越受到研究者的关注，然而传统氮掺杂材料一般以昂贵的有机化合物为原料，以复杂的有机合成为基础，在苛刻的反应条件下经过高温碳化制备，虽然也能取得较好的效果，但步骤较为复杂，因此很难进行商业化生产[周田宝.西北师范大学,2014.]。随着绿色化学和可持续发展理念的深入，如何用廉价的原料通过简单绿色方法合成新型氮掺杂碳材料已成为研究的热点。生物质前驱体来源广泛、环境友好，其蕴藏量和产量巨大，将生物质高效转换为生物质基碳材料，具有广阔的开发利用前景。生物质碳材料的活化法主要分为三种，分别是物理活化法、化学活化法和物理化学共活化。物理活化法采用水蒸气或二氧化碳氛围加热处理，优点在于条件温和，设备要求低，活化后无副产物，对环境无污染，缺点在于活化温度高，时间长，能耗高；化学活化法，通过浸渍渗透的方式对碳材料进行活化，优点在于活化温度低、时间短、低能耗、制备的碳材料比表面积和孔容较大，缺点在于活化剂用量大、腐蚀设备、污染环境，及材料中有未除去的活化剂。物理化学共活化包含一步化学活化(通常使用H3PO4和ZnCl2)和一步物理活化(通常使用CO2)过程，但并没有明显改善物理活化法和化学活化法的一些固有缺点。因此，急需开发一种活化温度低、时间短、低能耗、环境友好、腐蚀性低并且操作简便的生物质掺氮多孔碳的制备技术。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术公开了一种掺氮多孔碳，具体的方案如下：一种掺氮多孔碳的制备方法，包括以下步骤：S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。进一步的，在S3中，酸处理完成后还依次包括抽滤、洗涤和干燥步骤。进一步的，在S1中，所述活化剂为氯化钙。进一步的，在S1中，搅拌条件设置为：搅拌温度为80℃，搅拌时间为0.5～3h。更进一步的，在S1中，搅拌时间为1h。进一步的，在S1中，所述绿豆粉与所述活化剂的质量比为1:(1～4)。更进一步的，在S1中，所述绿豆粉与所述活化剂的质量比为1:2。进一步的，在S1中，所述绿豆粉与所述尿素的质量比为1:(1～3)。更进一步的，在S1中，所述绿豆粉与所述尿素的质量比为1:2。煅烧工艺参数包括煅烧温度、升温速率和煅烧时间等，这些参数都会直接影响最终生成的掺氮多孔碳的质量。本专利技术中，进一步的，在S3中，所述煅烧的程序设置为：以5℃/min的升温速率升温到700～900℃，保温时间为2h。综合考虑煅烧参数对掺氮多孔碳的影响，优选的，煅烧时的升温程序为：以5℃/min的升温速率升温到800℃，煅烧时间为2h。进一步的，在S3中，所述的酸处理过程为：在常温下用无机酸酸洗；所述无机酸为盐酸、硝酸、硫酸中的一种或者其任意组合；所述无机酸的浓度为0.5-2mol/L。酸处理的目的在于除去煅烧过程中产生的金属氧化物，从而形成掺氮多孔碳。本专利技术第二个方面提供了上述方法制备得到的掺氮多孔碳。本专利技术第三个方面提供了上述的掺氮多孔碳在电化学领域中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术通过简单的热解法，制备得到以绿豆粉为原料的掺氮多孔碳，与传统的制备方法相比，该方法的原材料容易获得、无毒无害、成本低，其次不需模板剂，且活化剂氯化钙无腐蚀性，此外制备流程简单、设备要求低、过程环保，适合大规模的推广应用。(2)本专利技术制备方法得到的以绿豆粉为原料的掺氮多孔碳具有较大的比表面积和大量的孔隙结构。并且氮的掺杂能大大提高多孔碳材料的性能，在电化学、催化、能源领域中具有广阔的应用前景。附图说明利用附图对本专利技术作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制。图1为实施例1中得到的掺氮多孔碳的扫描电镜图(SEM)；图2为实施例1中得到的掺氮多孔碳的氮气吸脱附曲线；图3为实施例1～3中得到的掺氮多孔碳的循环伏安图；图4为实施例2中得到的掺氮多孔碳的扫描电镜图(SEM)；图5为实施例2中得到的掺氮多孔碳的氮气吸脱附曲线。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。实施例1本实施例以绿豆粉为碳源，氯化钙为活化剂，尿素为氮源制备掺氮多孔碳材料，依次进行如下操作：将1.0g绿豆粉加入55mL去离子水中，置于80℃水浴锅中恒温搅拌，再往混合物中加入2.0g氯化钙和2.0g尿素，恒温搅拌3h，干燥得到混合粉末。将步骤(1)中得到的反应物置于管式炉中，在氮气气氛中，以5℃/min的升温速率升温至800℃，煅烧2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。将黑色粉末放入1mol/L的盐酸中，搅拌1.5h，静置1～2天，抽滤干燥后即得掺氮多孔碳材料。所得掺氮介孔碳样品的SEM如图1所示，所得样品为块状含有大量孔隙结构的碳材料。该样品的氮气吸脱附曲线如图2所示，图中曲线显示出介孔材料的回滞环，测试出的比表面积高达994.61m2/g。在6MKOH电解液中，利用循环伏安法测试该样品的比电容，如图3所示，在50mv/s的扫描速率下，比电容可达246.20F/g。实施例2本实施例以绿豆粉为碳源，氯化钙为活化剂，尿素为氮源制备掺氮多孔碳材料，依次进行如下操作：(1)将1.0g绿豆粉加入55mL去离子水中，置于80℃水浴锅中恒温搅拌，再往混合物中加入1.0g氯化钙和1.0g尿素，恒温搅拌0.5h，干燥得到混合粉末。(2)将步骤(1)中得到的混合粉末置于管式炉中，在氮气气氛中，以5℃/min的升温速率升温至700℃，煅烧2h，自然冷却至室温，得到黑色粉末。(3)将黑色粉末放入0.5mol/L的盐酸中，搅拌1.5h，静置1～2天，抽滤干燥后即得掺氮多孔碳材料。所得掺氮介孔碳样品的SEM如图4所示，所得样品为块状含有大量孔隙结构的碳材料。该样品的氮气吸脱附曲线如图5所示，图中曲线显示出介孔材料的回滞环，测试出的比表面积高达859.32m2/g。在6MKOH电解液中，利用循环伏安法测试该样品的比电容本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺氮多孔碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。

【技术特征摘要】
1.一种掺氮多孔碳的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：将绿豆粉加入水中，搅拌均匀后，再加入活化剂和尿素得到混合液；S2：将S1得到的混合液进行搅拌，充分反应后，再干燥，得到反应物；S3：将S2中得到的反应物在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后再进行酸处理，得到掺氮多孔碳。2.根据权利要求1所述的掺氮多孔碳的制备方法，其特征在于，在S3中，酸处理完成后还依次包括抽滤、洗涤和干燥步骤。3.根据权利要求1所述的掺氮多孔碳的制备方法，其特征在于，在S1中，所述活化剂为氯化钙。4.根据权利要求1所述的掺氮多孔碳的制备方法，其特征在于，在S1中，搅拌条件设置为：搅拌温度为80℃，搅拌时间为0.5～3h。5.根据权利要求1所述的掺氮多孔碳的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：钟国玉，谢浩民，徐志豪，许三有，许书瑞，傅小波，孙成华，徐勇军，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：广东,44