一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，涉及多孔碳材料制备技术领域。本发明专利技术提供的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合，进行干燥，得到混合固体粉末；在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料。本发明专利技术以甘蔗糖蜜为碳源，掺杂过渡金属制备多孔碳材料，经刻蚀液刻蚀后，得到孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高和电化学性能稳定的过渡金属掺杂多孔碳材料。本发明专利技术提供的制备方法无需使用活性剂在高温条件下造孔，操作简便，耗能少，绿色经济。

【技术实现步骤摘要】
一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及多孔碳材料制备
，特别涉及一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近几年，工业发展成为区域经济发展的重要引擎，但同时工业生产过程中产生的废弃物也成为加剧生态环境恶化的主要诱因，与当今时代的绿色发展理念相悖。因此，解决废弃资源的再循环利用这一难题至关重要。甘蔗糖蜜是制糖工业的废弃物，是制糖工业将甘蔗压榨成甘蔗汁液后经加热、中和、沉淀、过滤、浓缩、结晶等多道复杂工序制糖后所剩下的一种黑棕色的，有甜味的，浓稠的，呈半流动性的液体，俗称糖稀。目前甘蔗糖蜜主要用在发酵领域，但是仍面临着一些难题，如工艺复杂成本高，生产过程可能会带来二次污染等问题。在现有技术中，如“韩雪,邹博,顾小雪,etal.糖蜜基多孔碳球电极材料的制备及应用[J].高等学校化学学报(6):1135-1139.”，公开了以工业制糖的副产物糖蜜为新型碳源，替代传统多孔碳生产原料，制备出性能优异的多孔碳球超级电容器电极材料。“郭玉鹏,韩雪,邹博,etal.由糖蜜制备高性能碳材料的方法.”公开了将糖蜜作为原料制备碳材料。但上述方法均在制备过程中使用活化剂如碱类物质(如KOH)或盐类物质(如K2CO3)在高温条件下造孔，既耗能又腐蚀设备，工序较为繁琐。
技术实现思路
鉴于此，本专利技术的目的在于提供了一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本专利技术提供的制备方法无需使用活化剂在高温条件下造孔，操作简便，耗能少，绿色经济。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种过渡金属掺杂多孔碳材料的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合加热后，进行干燥，得到混合固体粉末；在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。优选地，升温至所述碳化反应的温度的升温速率为10～20℃/min。优选地，所述甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的质量比为200:(1～20)。优选地，所述可溶性过渡金属盐中的过渡金属元素包括钴、铁、镍或锰。优选地，所述酸刻蚀的刻蚀液为盐酸、硫酸或硝酸。根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀液的摩尔浓度为1～2mol/L。优选地，所述酸刻蚀的时间为0.5～1h。优选地，所述加热的温度为80～90℃，加热的时间为2～3h。本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制得的过渡金属掺杂多孔碳材料，所述过渡金属掺杂多孔碳材料的孔隙率为27.52％～43.88％，所述过渡金属的掺杂量为0.73％～5.84％。本专利技术还提供了上述技术方案所述过渡金属掺杂多孔碳材料在吸附剂、超级电容器和电催化剂中的应用。本专利技术提供的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合，进行干燥，得到混合固体粉末；在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。在本专利技术中，所述甘蔗糖蜜中含糖量较高，其中蔗糖为36％，其他糖分为24％，以甘蔗糖蜜为碳源，掺杂过渡金属制备多孔碳材料，经刻蚀液刻蚀后，得到孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高和电化学性能稳定的过渡金属掺杂多孔碳材料，且制得的过渡金属掺杂多孔碳材料的碳含量可以达到77.43％。本专利技术提供的制备方法将制备得到的碳化反应产物进行酸刻蚀，在室温条件在造孔，无需使用活性剂在高温条件下造孔，操作简便，耗能少，绿色经济。且本专利技术提供的制备方法不仅能够解决制糖工业废弃物循环再利用的问题，提高资源利用率，还能为制备高性能多孔碳材料提供一种新方法。实施例结果表明，本专利技术制备得到的过渡金属掺杂多孔碳材料的孔隙率为27.52％～43.88％，过渡金属的掺杂量为0.73％～5.84％，孔容量为0.3901～0.5046cm3/g，比表面积为641.54～831.30m2/g，比电容为102.95～204.2F/g，含碳量为64.86～77.43％。附图说明图1为实施例1制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图2为实施例2制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图3为实施例3制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图4为实施例4制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图5为实施例5制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图6为实施例6制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图7为实施例7制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图8为实施例8制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图9为实施例9制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图10为实施例10制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图11为实施例11制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图12为实施例12制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图13为实施例13制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图14为实施例14制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线；图15为对比案例1制得的钴掺杂多孔碳材料在1A/g条件下恒电流充放电曲线。具体实施方式本专利技术提供了一种过渡金属掺杂多孔碳材料的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合，进行干燥，得到混合固体粉末；在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。在本专利技术中，若无特殊说明，所采用的原料均为本领域常规市售产品或本领域常规制备方法制得的产品。本专利技术将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合加热后，进行干燥，得到混合固体粉末。在本专利技术中，所述甘蔗糖蜜优选为制糖工业废弃的液态甘蔗糖蜜，所述液态甘蔗糖蜜中含水量优选为20％～25％。在本专利技术中，所述甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的质量比优选为200:(1～20)，进一步优选为200:(2～10)，更优选为200:(2～4)。在本专利技术中，所述可溶性过渡金属盐优选包括过渡金属硝酸盐、过渡金属乙酸盐或过渡金属氯化盐；所述可溶性过渡金属盐中的过渡金属元素优选包括钴、铁、镍或锰。本专利技术对所述乙醇的用量没有特殊的限定，能够满本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种过渡金属掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，不使用活化剂，包括以下步骤：/n将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合加热后，进行干燥，得到混合固体粉末；/n在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；/n将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；/n所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。/n

【技术特征摘要】
1.一种过渡金属掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，不使用活化剂，包括以下步骤：
将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合加热后，进行干燥，得到混合固体粉末；
在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；
将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；
所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，升温至所述碳化反应的温度的升温速率为10～20℃/min。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的质量比为200:(1～20)。


4.根据权利要求1或3所述的制备方法，其特征在于，所述可溶性过渡金属盐中的过渡金属元素包括钴...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭玉鹏，吴琴，姜雪，李雅洁，杨枝晨，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22