一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法及其应用。本发明专利技术以氧化石墨烯为原材料，铵盐为氮源，首先氧化石墨烯在高温釜中经过硝酸蒸汽造孔和表面活化，随后将其放入较高浓度的铵根离子水溶液中，在异相自组装下大量铵根离子吸附于介孔氧化石墨烯表面，最后热处理制备出氮掺杂介孔碳材料。其中孔径分布主要在2～50nm，含氮量1％～10％可控，且氮元素分布均匀，使得该材料表现出良好的电化学性能，同时又具有制备方法简单、工艺成本低、环境友好和资源丰富等优点。

Preparation and application of a nitrogen doped mesoporous carbon material

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法及其应用
本专利技术涉及电化学材料的制备，特别涉及一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法及其应用。
技术介绍
碳材料是一种无机非金属材料，具有化学稳定性好、原料丰富等优点，在很多领域都有广泛的应用，特别是能源领域。其中介孔碳因拥有大的表面积、适中的孔径等优点，是一种很好的碱金属离子电池负极材料。但是纯的介孔碳的导电性和化学活性不足，通常采用氮掺杂的方案进行解决，因为氮原子与碳原子有相近的原子半径，且氮原子比碳原子多一个电子，氮原子的掺杂会给碳材料提供一个自由电子作为载流子，所以氮掺杂碳材料有很优异的电化学性能。然而，当前常用的氮掺杂介孔碳制备技术方法繁琐、价格昂贵、不可规模化生产；其氮含量和介孔也极其不可控。因此，亟需开发一种工艺简单易行，成本低廉可控，环境友好，导电性能好、电化学性能优异，可规模化生产的可控氮掺杂介孔碳材料的制备方法。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种工艺简单的、价格低廉、环境友好，导电性能好、电化学性能优异，可规模化生产的可控氮掺杂介孔碳材料的制备方法及其应用。上述目的是通过如下技术方案实现：一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法，以氧化石墨烯为碳材料，硝酸蒸汽为造孔器，铵盐为氮掺杂剂，具体包括如下步骤：(1)改良的hummers’方法制备氧化石墨烯；(2)以硝酸蒸汽为造孔器，实现氧化石墨烯的造孔和表面活化；(3)以铵盐为氮掺杂剂，异相自组装、干燥和热处理完成氮掺杂，得到氮掺杂介孔碳材料。进一步地，步骤(2)中，所述的硝酸为浓硝酸。进一步地，步骤(3)中，所述的铵盐优选为是硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或两种以上，更优选为碳酸氢铵。进一步地，步骤(3)中，干燥为冷冻真空干燥或高温干燥。进一步地，步骤(3)中，热处理是在保护气体下进行，保护气体为氩气或氮气，热处理温度为500～900℃，时间为1～3h。进一步地，步骤(1)中，改良的hummers’方法制备氧化石墨烯，具体包括如下步骤：首先，按1.8～2.2：1的质量比称量石墨粉和硝酸钠，缓慢加入浓硫酸，控制石墨粉的浓度为40～50mg/mL，室温下搅拌8～15min，呈粘稠状；在冰浴搅拌的前提下，缓慢加入石墨粉质量2.5～3.5倍的高锰酸钾，随后转移到30～40℃水浴锅，水浴0.4～0.7h；继续缓慢加入去离子水，去离子水与浓硫酸的体积比为1.8～2.5：1，将水浴锅加热到85～95℃，保持0.4～0.7h；然后向其加入质量浓度为25～35％的氨水，氨水与浓硫酸的体积比为0.8～1.3：3；最后，通过盐酸酸洗、去离子水水洗、冷冻干燥，获得氧化石墨烯。进一步地，步骤(2)具体包括如下步骤：将硝酸放入反应釜底部，氧化石墨烯放置在反应釜上部，用砂芯网将氧化石墨烯与酸隔开，硝酸与氧化石墨烯的用量比为3～10：300～1000mL/mg，然后将反应釜放入干燥箱中100～300℃保持10～60min，利用硝酸蒸汽实现造孔和表面活化。进一步地，步骤(3)具体包括如下步骤：将步骤(2)所得产物分散在离子浓度为0.1～1mol/L的铵盐水溶液中，异相自组装完成后，移除上清液、干燥、在保护气体氛围下500～900℃热处理1～3h，得到氮掺杂介孔碳材料。上述的氮掺杂介孔碳材料应用于碱金属离子电池负极中。本专利技术采用改良的hummers’方法制备氧化石墨烯工艺成熟可规模化生产；利用少量的硝酸蒸汽处理氧化石墨烯，能对其进行造孔、表面活化和增加层间间距，从而改善电极液浸入、降低离子的扩散势垒和增加表面的活性位点；分散在铵盐水溶液中，可控铵根离子的吸附，随后的热处理形成的氮掺杂，可有效的改善材料的电子导电性能，增加材料倍率性能。总之，可控的氮掺杂介孔碳材料拥有合成工艺简单、价格低廉、重复性好，导电性能好、电化学性能优异，可规模化生产的特点，具有良好的工业化应用前景。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的利用温和酸处理氧化石墨烯、铵根离子异相吸附、热处理制备氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其中孔径分布主要在2～50nm，含氮量1％～10％可控，且氮元素分布均匀，使得该材料表现出良好的电化学性能，且其介孔碳材料孔径量和大小可控、氮掺杂含量可控，步骤简单，可大规模进行生产。本专利技术制备的氮掺杂介孔碳材料有较大的孔体积，作为电极材料与电解液有更大的接触面积，缩短了电子，离子的扩散距离，所以材料的电子、离子电导性更好，因此材料有更好的储钠性能；同时，较大的比表面积也提供了较多离子吸附位点，增加了离子界面存储，从而使得材料在作为电极材料时有更好的比容量和高倍率性能。氮的掺杂也提高了材料的电子导电性，从而使得材料有更好的电化学性能。考虑到制备方法的简洁，这将是一种很有潜力、可规模化生产的碳电极材料。附图说明图1为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料和还原石墨烯的XRD图。图2为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的孔体积图。图3为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的TEM图。图4为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的EDS图。图5为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料中氮的高分辨XPS图。图6为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的循环伏安图。图7为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的充放电曲线测试图。图8为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的循环性能测试图。图9为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的倍率性能图。图10为实施例1所得氮掺杂介孔碳材料的EIS图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术做进一步详细说明，但本专利技术并不限于此。实施例1一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)称量石墨粉(3g)和硝酸钠(1.5g)，缓慢加入浓硫酸(70ml),室温下搅拌10min，呈粘稠状；在冰浴搅拌的前提下，将高锰酸钾(9g)缓慢加入，随后转移到35℃水浴锅，水浴0.5h；继续缓慢加入140mL去离子水，将水浴锅加热到90℃，保持0.5h；将20mL的氨水(质量浓度为30％)，加入上述溶液；最后，通过盐酸酸洗、去离子水水洗、冷冻干燥获得氧化石墨烯；(2)将3mL硝酸放入反应釜底部，300mg步骤(1)所得氧化石墨烯放置在反应釜上部，用砂芯网将氧化石墨烯与硝酸隔开，然后将反应釜放入干燥箱中200℃保持10min，利用硝酸蒸汽实现造孔和表面活化，冷却室温后取出反应产物；(3)将步骤(2)所得产物分散在离子浓度为0.5M的碳酸氢铵盐水溶液中，随后移除上清液、干燥、在保护气体氛围下800℃保持2h得到氮掺杂介孔碳材料。实施例2一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)称量石墨粉(3g)和硝酸钠(1.5g)，缓慢加入浓硫酸(70ml),室温下搅拌10min，呈粘稠状；在冰浴搅拌的前提下，将高锰酸钾(9g)缓慢加入，随后转移到35℃水浴锅，水浴0.5h；继续缓慢加入140mL去离子水，将水浴锅加热到90℃，保持0.5h；将本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，以氧化石墨烯为碳材料，硝酸蒸汽为造孔器，铵盐为氮掺杂剂，具体包括如下步骤：/n(1)改良的hummers’方法制备氧化石墨烯；/n(2)以硝酸蒸汽为造孔器，实现氧化石墨烯的造孔和表面活化；/n(3)以铵盐为氮掺杂剂，异相自组装、干燥和热处理完成氮掺杂，得到氮掺杂介孔碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，以氧化石墨烯为碳材料，硝酸蒸汽为造孔器，铵盐为氮掺杂剂，具体包括如下步骤：
(1)改良的hummers’方法制备氧化石墨烯；
(2)以硝酸蒸汽为造孔器，实现氧化石墨烯的造孔和表面活化；
(3)以铵盐为氮掺杂剂，异相自组装、干燥和热处理完成氮掺杂，得到氮掺杂介孔碳材料。


2.根据权利要求1所述的氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的硝酸为浓硝酸。


3.根据权利要求1所述的氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的铵盐优选为是硝酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵中的一种或两种以上，更优选为碳酸氢铵。


4.根据权利要求1所述的氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，干燥为冷冻真空干燥或高温干燥。


5.根据权利要求1所述的氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，热处理是在保护气体下进行，保护气体为氩气或氮气，热处理温度为500～900℃，时间为1～3h。


6.根据权利要求1所述的氮掺杂介孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，改良的hummers’方法制备氧化石墨烯，具体包括如下步骤：首先，按1.8～2.2：1的质量比称量石墨粉和硝酸钠，缓慢加入浓硫酸，控制石墨粉的...

【专利技术属性】
技术研发人员：许国保，张家玉，刘雄，杨利文，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43