一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及碳基复合材料，尤其涉及一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法。所述方法包括以下步骤：以有机材料作为原料，配制浸渍液，浸渍液中溶解有过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂，将有机材料置于浸渍液中进行吸附浸渍，随后取出置于保护气氛中进行二段式升温煅烧即可得到掺杂多孔碳基复合材料。本发明专利技术方法简单易行，具有广泛的普适性；原料、设备成本低，能耗较小，有利于产业化的制备和生产；制备过程中极少产生甚至不产生废气、废液污染，更加绿色环保；可根据复合材料所需性能灵活选用原料，具有较高的灵活性。

A preparation method of doped porous carbon matrix composite

【技术实现步骤摘要】
一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法
本专利技术涉及碳基复合材料，尤其涉及一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法。
技术介绍
多孔碳材料不仅具有碳材料化学稳定性高、导电性好等优点，由于多孔结构的引入，还具有比表面积高、孔道结构丰富、孔径可调等特点，在多相催化、吸附分离科学和电化学储能等方面都得到了广泛的应用。特别是多孔碳载体与活性金属组分构筑的复合材料在电催化领域得到高度关注，多孔碳载体不仅为金属组分的锚定提供位点，而且丰富的孔道有助于传质过程，促进催化反应。多孔碳材料的制备方法有很多种，如高分子聚合物热解法、模板法（硬模板法和软模板法）以及活化法（化学活化法、物理活化法和物理化学活化法）等。其中，高分子聚合物热解法往往得到具有无序微孔结构的碳材料，大量的微孔结构对于催化过程的传质是非常不利的。模板法虽然具有良好的结构可控性，特别是双模板法的使用有利于构筑有序介孔结构，但是材料的制备过程复杂，往往需要繁琐的后处理（强酸、强碱、高温）以移除模板剂，整个过程极其不经济、环保。迄今为止，以活化法合成多孔碳材料的研究最为广泛，特别是物理化学活化法。通常将含碳原料与活化剂混合后，在高温下与活化剂分解产生的气体小分子接触反应，最终刻蚀形成多孔结构。例如，YongWang等人采用面包发酵法（GreenChem.,2015,17,4053-4060），以碳酸氢钾为活化剂，将木糖、甲壳素等多糖分子、甚至原始生物质如竹子经过煅烧直接合成多孔碳材料。该策略极大地降低了生产成本，简化操作过程。此外，研究发现多孔碳材料中掺杂N原子等异质原子后，可以极大地调变多孔碳材料的表面酸碱性、亲水性及其与金属颗粒的相互作用。YongWang等在另外一篇工作（GreenChem.，2016，18，6082-6090）中以纤维素作为原料，碳酸氢钠和草酸铵共同作为发泡剂，由于草酸铵在高温下分解出大量含氮气体，与碳载体反应成功掺入氮原子。构筑的氮掺杂多级孔结构极大地稳定和分散钌颗粒。同时，由于N原子的供电子能力，有利于Run+到Ru0的还原，为催化反应提供更多的活性位。NH3作为一种常用的还原剂不仅为高活性金属组分的形成提供条件，同时作为活化剂引入丰富的孔道结构。例如，Ji等人在NH3氛围下煅烧纤维素膜（NanoLett.，2014，14，2225-2229），得到比表面积高达1973.3m2g-1的N掺杂多孔碳。该方法虽然可以获得高比表面积的碳材料，但使用强腐蚀性、刺激性的气体，对合成设备要求高，无疑增加生产成本。如中国专利局于2019年6月7日公开的一种制备锂电池负极的碳基复合材料及其制备方法的专利技术专利申请，申请公开号为CN109860527A，其包括如下步骤：步骤S1中空多孔Cu-Mo-O的制备，步骤S2中空多孔Cu-Mo-O表面改性，步骤S3高温碳化，步骤S4负载。本专利技术还公开了根据所述制备方法得到的锂电池负极的碳基复合材料。在该专利技术专利的技术方案中，其采用的制备原料成本较高，并且制备工艺较为复杂，存在一定的污染性。为了更好的在实际中应用掺杂多孔碳基复合材料，提供一种工艺简单、绿色环保且生产成本较低的合成掺杂多孔碳基复合材料的策略非常具有科研和实际产业化的前景。
技术实现思路
为解决现有的碳基复合材料制备流程较为复杂，原料成本和制备成本较高，并且制备过程中大多带有一定的污染等问题，本专利技术提供了一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法。本专利技术的目的在于：一、优化制备方法，使得制备方法简洁高效，能够以简单的方法快速制得碳基复合材料；二、采用价格低廉的原料替代昂贵的原料，降低原料成本，同时采用简单的方法替代原先复杂的工艺，降低制备成本，并降低制备过程对设备的需求，实现整体制备的低成本化；三、避免制备过程中产生废气和废液污染，实现绿色环保制备的目的。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案。一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，所述方法包括以下步骤：以有机材料作为原料，配制浸渍液，浸渍液中溶解有过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂，将有机材料置于浸渍液中进行吸附浸渍，随后取出置于保护气氛中进行二段式升温煅烧即可得掺杂多孔碳基复合材料。上述方法首先通过简单的浸渍将过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂等浸渍成分吸附至有机材料的上，本专利技术选用的有机材料为天然有机材料（即天然碳基材料），天然有机材料富含淀粉等碳水化合物，先将浸渍成分溶解之后再吸附可提高有机材料的吸附均匀性。而后续的二段式升温煅烧可一步直接将有机材料碳化形成碳骨架，所形成的碳骨架几乎完美继承了碳源高温爆破后的框架结构，呈现出天然有机材料中普遍存在的三维立体结构，大多为三维网状结构，具有丰富的孔道和极高的比表面积。整体制备方法简洁、设备投入少、批次差异性低，非常适合产业化地生产。作为优选，所述有机材料为生物质材料；所述生物质材料为含有碳水化合物的生物质及其产品。所述生物质材料包括植物和动物及其加工产品，通常来说植物及其加工产品如大米、小米、红薯粉条、玉米、柚子皮等，三维立体结构更加明显，并且具有较强的规律性，而动物及其加工产品如虾壳、干虾条、猪皮等，其三维立体结构通常不如植物及其加工产品明显，并且规律性较弱，但部分产品加工后的产品如虾条等膨化食品又具有非常丰富的三维孔道结构。含有碳水化合物的生物质及其产品在碳化后更容易形成稳定的三维立体骨架，并且孔隙率通常更大。作为优选，所述过渡金属盐为Ru盐、Pt盐、Pd盐、Mo盐、W盐、Cu盐、Fe盐、Co盐和Ni盐中的任意一种或多种。上述的过渡金属盐在被有机材料的吸附吸收后在碳化过程中会在碳骨架上原位生长，形成复合材料，其根据选用过渡金属盐种类的不同，所形成的复合材料在形貌和性能上存在一定的差异，可根据实际需求进行选用。并且，本专利技术实际不仅适用于过渡金属盐，其普遍适用于大多数金属盐。作为优选，所述掺杂剂为尿素、单氰、二氰二胺、硫脲、硼酸和植酸中的任意一种或多种。上述掺杂剂一方面能够聚合形成g-C3N4等新的且相对稳定的掺杂剂结构，另一方面所形成的新的掺杂剂结构能够进一步撑大原有机材料所形成的碳骨架结构，使得有机材料膨胀，具有更大的孔隙率。而在二段式升温的第二阶段升温，其还能够分解出含氮、含硫等气体小分子，与有机材料所形成的碳骨架反应形成异质原子掺杂，由于异质原子的形成和掺杂，异质原子能够与金属颗粒之间产生强相互作用，进一步抑制金属颗粒的生长，使得金属颗粒不会产生富集，提高了有机材料的碳化程度。作为优选，所用有机材料、过渡金属盐和掺杂剂的质量比为（1～5）：（0.01～6）：（0～1）。上述比例能够实现较优的掺杂，确保过渡金属盐不会产生富集、能够均匀分散在有机材料所形成的碳骨架上。作为优选，所用有机材料、过渡金属盐和掺杂剂的质量比为（2～4）：（0.8～2）：（0.02～0.8）。在上述比例范围中，能够进一步确保过渡金属盐和掺杂剂之间产生有效的强相互作用，进一步提高复合材料的稳定性以及各方面的性能。实际性能取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，/n所述方法包括以下步骤：/n以有机材料作为原料，配制浸渍液，浸渍液中溶解有过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂，将有机材料置于浸渍液中进行吸附浸渍，随后取出置于保护气氛中进行二段式升温煅烧即可得掺杂多孔碳基复合材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述方法包括以下步骤：
以有机材料作为原料，配制浸渍液，浸渍液中溶解有过渡金属盐或过渡金属盐和掺杂剂，将有机材料置于浸渍液中进行吸附浸渍，随后取出置于保护气氛中进行二段式升温煅烧即可得掺杂多孔碳基复合材料。


2.根据权利要求1所述的一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述有机材料为生物质材料；
所述生物质材料为含有碳水化合物的生物质及其产品。


3.根据权利要求1或2所述的一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述过渡金属盐为Ru盐、Pt盐、Pd盐、Mo盐、W盐、Cu盐、Fe盐、Co盐和Ni盐中的任意一种或多种。


4.根据权利要求1或2所述的一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，
所述掺杂剂为尿素、单氰、二氰二胺、硫脲、硼酸和植酸中的任意一种或多种。


5.根据权利要求1或2所述的一种掺杂多孔碳基复合材料的制备方法，其特征在于，
所用有机材料、过渡金属盐和掺杂剂的质量比为（1～5）：（0.01～6）：（0～1）。<...

【专利技术属性】
技术研发人员：王静，徐祥宇，郭俊杰，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33