本发明专利技术涉及氮磷掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，通过将有机磷酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~45mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以3~8℃/min速率升温到185℃~215℃保温1.5~2.5小时后，继续以3~8℃/min速率升温到900±10℃保温1.0~2.5小时，再缓慢降至室温，经过酸洗获得，获得的氮磷掺杂多孔碳材料具备均匀的氮原子、磷原子掺杂，丰富均匀的孔径的分布，较大的比表面积和孔容，较好的电学性能和吸附性能。
A porous carbon material doped with nitrogen and phosphorus and its preparation and Application
【技术实现步骤摘要】
一种氮磷掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用目前，碳材料由于其具备优良的多孔性能被广泛应用于吸附剂、催化剂、燃料电池、二次电池的电极材料、超级电容、复合材料、气敏元件、太阳能电池、多种电子器件等领域。相比普通的碳材料，含氮和磷等原子的碳材料性能更加优异。目前针对于氮磷掺杂的多孔碳材料的研究如下：CN110147833A公开了一种异原子掺杂的多孔碳材料：先将聚丙烯腈溶解到N,N-二甲基甲酰胺溶液中，然后将含有目标掺杂原子的试剂(一种或多种)加入其中，再进行溶剂热反应得到前驱体，所述前驱体置于保护气氛中煅烧，即可得到纳米尺寸均一、电化学性能优异的单一或多原子掺杂碳材料。CN110040714A公开了一种吸附二氧化碳用氮磷掺杂多孔碳材料，其通过将4,4′-联吡啶、羟基乙叉二膦酸、可溶性铜盐溶于水中，加入碱调节溶液的pH值为3-5，室温搅拌反应，后处理得到前驱体，然后再煅烧，加硝酸回流，最终得到。以上现有技术普遍存在过程复杂，后处理繁琐的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种氮磷掺杂多孔碳材料，并同时提供其制备方法和应用。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：技术主题一本专利技术一方面提供了一种氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其具体包括如下步骤：步骤一：高温炭化将有机磷酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~45mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以3~8℃/min速率升温到185℃~215℃保温1.5~2.5小时后，继续以3~8℃/min速率升温到900±10℃保温1.0~2.5小时，再缓慢降至室温，即制得黑色含氮碳材料；步骤二：酸洗用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次，即得氮磷掺杂多孔碳材料。在本专利技术的一些实施方案中，在步骤一之前还包括水热聚合预处理步骤：将有机磷酸盐放入水热反应釜中，通过微波化学合成仪加热或烘箱加热，120~170℃水热反应3~4小时，将产物抽滤、烘干。在本专利技术的一些实施方案中，所述有机磷酸盐选自双1，6-亚己基三胺五甲叉膦酸钠（BHMTPMPANa4）、二乙烯三胺五甲叉膦酸五钠（DTPMP·Na5）、己二胺四甲叉膦酸钾盐（HDTMPA·K6）或双1,6-亚己基三胺五甲叉膦酸钠BHMTPH·PN(Na2)。在本专利技术的一些实施方案中，所述有机磷酸盐和水的体积比为1:35~44。在本专利技术的一些实施方案中，所述微波化学合成仪加热条件参数如下：功率为800~1200W，压力为0.36~0.52MPa。在本专利技术的一些实施方案中，所述保护气为N2/Ar。在本专利技术的一些实施方案中，所述盐酸的浓度为0.05~0.15mol/L。技术主题二本专利技术另一方面提供了一种上述技术主题一的方法得到的氮磷掺杂多孔碳材料。技术主题三本专利技术又一方面提供了一种上述技术主题二的掺杂多孔碳材料在超级电容器和二氧化碳吸附中的应用。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术所提供的方法使用有机磷盐作为原料，原料中的磷和氮作为氮源，含量均匀，操作简单，制备周期短。原料中的金属盐能够使孔径分布更加均匀，空洞增多，避免了现有技术中通过添加模板剂和活化剂，简化了工艺，并保证了多孔碳材料的优异性能。本专利技术方法得到的氮磷掺杂多孔碳材料具备均匀的氮原子、磷原子掺杂，丰富均匀的孔径的分布，较大的比表面积和孔容，较好的电学性能和二氧化碳吸附性能。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，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它的附图。图1为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的N1sXPS谱图；图2为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的P2pXPS谱图；图3为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的XRD谱图；图4为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的SEM图；图5为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料样品的恒流充放电图（3A/g）；图6为实施例1所制备氮磷共掺杂多孔碳材料的循环伏安图；图7为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的孔径分布图；图8为实施例1所制备的氮磷共掺杂多孔碳材料的吸附等温线。具体实施方式本专利技术氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其具体包括如下步骤：步骤一：高温炭化将有机磷酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~45mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以3~8℃/min速率升温到185℃~215℃保温1.5~2.5小时后，继续以3~8℃/min速率升温到900±10℃保温1.0~2.5小时，再缓慢降至室温，即制得黑色碳材料；步骤二：酸洗用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次，即得氮磷掺杂多孔碳材料。在本专利技术中还包括如下的预处理步骤：水热聚合步骤将有机磷酸盐放入水热反应釜中，通过微波化学合成仪加热或烘箱加热，120~170℃水热反应3~4小时，将产物抽滤、烘干。在专利技术中，所述有机磷酸盐选自双1，6-亚己基三胺五甲叉膦酸钠（BHMTPMPANa4）、二乙烯三胺五甲叉膦酸五钠（DTPMP·Na5）、己二胺四甲叉膦酸钾盐（HDTMPA·K6）或双1,6-亚己基三胺五甲叉膦酸钠BHMTPH·PN(Na2)。在本专利技术中，高温炭化步骤中，通入保护气的速度优选为20~40mL/min，进一步优选为25~35mL/min；最优选为30mL/min。升温速度优选为4~7℃/min，进一步优选为5~6℃/min，最优选为5℃/min。先从室温升温至温度优选为190℃~210℃，第一次保温时间优选为2h。第二次升温速度优选为4~7℃/min；最优选为5℃。第二次保温温度优选为900℃，保温时间优选为2h。在本专利技术中，所述水热聚合步骤的有机磷酸盐和水的体积比为1:35~44，进一步优选为1:38~40；最优选为1:39。在本专利技术中，所述水热聚合步骤的水热反应温度优选为130~160℃，进一步优选为140~150℃；最优选为150℃。水热反应时间优选为3.5小时。在本专利技术中，所述的微波化学合成仪的功率为800~1200W，进一步优选为900~1100W；更进一步优选为950~1050W；最优选为1000W。在本专利技术中，所述的微波化学合成仪的压力为0.36~0.52MP，进一步优选为0.40~0.48MP；最优选为0.44MP。在本专利技术中，保护气优选为惰性气体，最优选为N2、Ar或两者的混合气。在本专利技术中，盐酸的浓度为0.05~0.15mol/L，进一步优选为0.1mol/L。在本专利技术中，如无特殊说明，所用到的原料为本领域技术人员所熟知的市售商品。为了本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：/n步骤一：高温炭化/n将有机磷酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~45mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以3~8℃/min速率升温到185℃~215℃保温1.5~2.5小时后，继续以3~8℃/min速率升温到900±10℃保温1.0~2.5小时，再缓慢降至室温，即制得黑色碳材料；/n步骤二：酸洗/n用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次，即得氮磷掺杂多孔碳材料。/n
【技术特征摘要】
1.一种氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，其具体包括如下步骤：
步骤一：高温炭化
将有机磷酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~45mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以3~8℃/min速率升温到185℃~215℃保温1.5~2.5小时后，继续以3~8℃/min速率升温到900±10℃保温1.0~2.5小时，再缓慢降至室温，即制得黑色碳材料；
步骤二：酸洗
用盐酸溶液浸泡，超声清洗，每次半小时，清洗三次，即得氮磷掺杂多孔碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，在步骤一之前还包括水热聚合预处理步骤：
将有机磷酸盐放入水热反应釜中，通过微波化学合成仪加热或烘箱加热，120~170℃水热反应3~4小时，将产物抽滤、烘干。
3.根据权利要求1所述的一种氮磷掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述有机磷酸盐选自双1，6-亚己基三胺...
【专利技术属性】
技术研发人员：王莎莎，刘振法，张利辉，许跃龙，任斌，
申请(专利权)人：河北省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13
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