一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳及其制备方法，所述微介孔碳为“哑铃型”结构的微介孔碳球，导电率为5.5‑10.2S/cm，石墨化度高达92‑98%，比表面积为500‑1000m

A highly graphitized boron doped \dumbbell\ microporous carbon and its preparation method

The invention provides a highly graphitized boron doped \dumbbell\ microporous carbon and a preparation method thereof. The microporous carbon is a \dumbbell\ structure microporous carbon sphere with a conductivity of 5.5 10.2S/cm, a graphitization degree of 92 98%, and a specific surface area of 500 1000m.

【技术实现步骤摘要】
一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳及其制备方法
本专利技术涉及碳材料制备领域，具体涉及一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳及其制备方法。
技术介绍
微介孔碳材料具有大的比表面积和孔容、均匀可调的孔径以及可控的形貌，有效结合了微孔产生的高比表面积和介孔的高传输效率，在大分子的分离、吸附以及光电微器件等方面有着广泛的应用。除具有前述性能外，微介孔碳材料在超级电容器、锂离子电池、燃料电池等领域也显示出诱人的前景。目前，合成微介孔碳材料的方法主要有硬模板法、组装法和水热法等。硬模板法通常采用碳源浇铸介孔氧化硅，碳化后除去氧化硅硬模板的方法制备微介孔复合碳材料，但是这种方法工序复杂，成本较高，制作周期长，难以规模化生产，而且使用硬模板法对前驱体和模板的要求都比较高。组装法制备微介孔碳材料是一种由可溶的造孔剂导向合成微介孔复合碳材料的方法。这种方法省去了制备介孔氧化硅硬模板的步骤，更为经济合理，绿色环保。目前该种方法主要以苯酚、甲醛经过催化反应形成的树脂为前驱体，经过后续热处理得到多孔碳材料。目前大部分采用单环酚及其合成树脂作为成孔剂，对所制材料的各项性能有很大的限制，所得碳材料的性质也难以满足应用需求。水热法是指在高温高压条件下，在密封容器中加入水使反应物在其中进行化学反应从而得到微介孔碳材料。相比传统制备方法，水热法既绿色环保，又温和快捷，同时这种方法的制备过程体现了化学制备材料绿色环保、可持续发展的思想。研究表明，对碳材料进行活化和掺杂改性可进一步提升碳材料各方面的性能。碳材料活化的方法主要分为两大类：化学活化法和物理活化法。化学活化是通过化学试剂如ZnCl2、KOH和H3PO4等与碳材料发生一系列的交联或缩聚反应，进而创造出丰富的孔隙；物理活化是利用空气、二氧化碳、水蒸气等氧化性气体在高温下与碳材料内碳原子反应。化学活化优点是活化时间短、活化温度低。但是，大量化学试剂的使用提高了制备成本，高温下对设备有较强腐蚀作用，在洗涤过程中需要大量水，这些废水经过复杂处理工艺后才能达到环保排放要求。物理活化的优点是工艺简单、清洁，活化后不需要洗涤，有利于满足大规模工业化生产需要。利用杂元素（如N、P、S、B、F等）对碳骨架进行掺杂，可显著提高碳材料的表面性质，如改善润湿性、提高导电性和电催化性能等，在电化学中还可以作为反应的活性位点。此外，微介孔碳材料领域中面临的最重要的问题是如何满足大规模的工业化需求，另一方面作为一种新型碳材料，它在工业领域起着重要的作用，有利于实现工业化的绿色生产。
技术实现思路
本专利技术提出了一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳及其制备方法，方法简单，成本低廉，能够实现工业化生产。实现本专利技术的技术方案是：一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳，所述微介孔碳为“哑铃型”结构的微介孔碳球，导电率为5.5-10.2S/cm，石墨化度高达92-98%，比表面积为500-1000m2/g，孔体积为0.5-1cm3/g，硼含量为0.5-2wt%。所述的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的制备方法，步骤如下：（1）水热处理将碳源和表面活性剂放入烧杯中，加入去离子水溶解，搅拌处理后放入超声波清洗器中进行超声，后转入水热反应釜中进行水热反应，冷却到室温后所得材料用去离子水过滤洗涤至中性，放入烘箱内烘干，得到水热碳材料；（2）高温石墨化硼掺杂处理将步骤（1）得到的水热碳材料和硼源经研磨混合均匀后，放入石墨坩埚，在保护气体气氛下进行高温石墨化硼掺杂处理，高温石墨化硼掺杂处理的温度为2300-2600℃，得到高度石墨化硼掺杂碳材料；（3）物理活化处理将步骤（2）得到的高度石墨化硼掺杂碳材料置于管式炉内，在保护气体气氛中以一定升温速率升至活化温度，此时关闭保护气体阀门并通入适量的水蒸气进行活化反应，活化完成后关闭蒸汽阀，继续在保护气体保护下冷却至室温，取出后在真空干燥箱内烘干，即得到高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳。所述步骤（1）中碳源为葡萄糖、果糖、淀粉或蔗糖，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基磺酸钠；碳源与表面活性剂的质量比为（15-25）：1。所述步骤（1）中搅拌时间为20-40min，搅拌速率为100-300r/min，超声时间为10-30min，超声波功率为100-300W；水热反应温度为170-200℃，水热时间为6-10h，干燥温度为70-90℃，干燥时间为12h。所述步骤（2）中硼源为硼酸、氧化硼或硼砂，水热碳材料和硼源的质量比为（8-12）：1；保护气体为质量分数为99.999%的氮气、氩气或氦气，气体流量为200-300sccm。所述步骤（2）中以30-60℃/min的升温速率升至2300-2600℃，保温时间为20-50min。所述步骤（3）中水蒸气与高度石墨化硼掺杂碳材料的质量比为（5-8）：1。所述步骤（3）中保护气体为质量分数为99.99%的氮气或氩气，气体流量为100-300sccm。所述步骤（3）中升温速率为3-7℃/min，活化温度为750-950℃，活化时间为45-75min；真空干燥温度为110-140℃，干燥时间为8-12h。本专利技术的有益效果是：（1）制备本专利技术高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳所采用的碳源、表面活性剂和硼源均来源广泛，成本低廉，有利于实现大规模工业化生产；（2）本专利技术采用水热法、高温石墨化法和物理活化法相结合的方法制备高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳，方法简单可行，操作过程中无酸碱等污染产生，所得产品品位高；（3）本专利技术制得的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳，具有导电性和石墨化程度较高，比表面积和孔径分布可调，硼含量可控等优点，有利于通过对其结构的调控实现性能的优化；（4）本专利技术制得的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳材料可以应用于废水处理、土壤生态修复、气体吸附、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池以及微生物燃料电池等领域，具有重要的实用价值和良好的发展前景，可大力促进我国新型碳纳米材料的蓬勃发展。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的透射电镜图；图3为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的XRD图；图4为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的Raman光谱图；图5为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的氮气吸附-解吸曲线图；图6为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的孔径分布图；图7为本专利技术实施例1制备的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的XPS图谱。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳，其特征在于：所述微介孔碳为“哑铃型”结构的微介孔碳球，导电率为5.5‑10.2S/cm，石墨化度高达92‑98%，比表面积为500‑1000m

【技术特征摘要】
1.一种高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳，其特征在于：所述微介孔碳为“哑铃型”结构的微介孔碳球，导电率为5.5-10.2S/cm，石墨化度高达92-98%，比表面积为500-1000m2/g，孔体积为0.5-1cm3/g，硼含量为0.5-2wt%。2.权利要求1所述的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的制备方法，其特征在于步骤如下：（1）水热处理将碳源和表面活性剂放入烧杯中，加入去离子水溶解，搅拌处理后放入超声波清洗器中进行超声，后转入水热反应釜中进行水热反应，冷却到室温后所得材料用去离子水过滤洗涤至中性，放入烘箱内烘干，得到水热碳材料；（2）高温石墨化硼掺杂处理将步骤（1）得到的水热碳材料和硼源经研磨混合均匀后，放入石墨坩埚，在保护气体气氛下进行高温石墨化硼掺杂处理，高温石墨化硼掺杂处理的温度为2300-2600℃，得到高度石墨化硼掺杂碳材料；（3）物理活化处理将步骤（2）得到的高度石墨化硼掺杂碳材料置于管式炉内，在保护气体气氛中以一定升温速率升至活化温度，此时关闭保护气体阀门并通入适量的水蒸气进行活化反应，活化完成后关闭蒸汽阀，继续在保护气体保护下冷却至室温，取出后在真空干燥箱内烘干，即得到高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳。3.根据权利要求2所述的高度石墨化硼掺杂“哑铃型”微介孔碳的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中碳源为葡萄糖、果糖、淀粉或蔗糖，表面活性剂为十二烷基苯磺酸钠、聚乙二醇辛基苯基醚、十六烷基三甲基溴化铵或十二烷基磺酸钠；碳源与表面活性剂的质量比为（15-25）：1。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈锋，任建刚，孙哲，马路路，宋志敏，李冰，吴娜娜，马沈轲，刘欣欣，李子千，卢可馨，
申请(专利权)人：河南工程学院，
类型：发明
国别省市：河南,41