一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于碳微球技术领域，尤其涉及一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法及应用，以含有

【技术实现步骤摘要】
一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于碳微球
，尤其涉及一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法及应用
。

技术介绍

[0002]目前碳微球的制备方法多种多样，通常由生物质
、
聚合物和有机物通过水热法
、
超声喷雾热解法
、
乳液聚合和模板法合成
。
在聚合物和有机物的合成过程中，有机溶剂和恶劣的聚合条件总是不可避免的
。
生物质热处理前总是需要繁琐的程序和复杂的样品预处理
。
水热法被认为是其中制备碳微球最简便
、
绿色和环保的方法，目前碳微球通常是通过交联
、
团聚而成，且颗粒大小不均匀
。
前驱体和加工方法对碳微球的电化学性能有很大影响
。
因此利用什么样的物质和采用什么样的方法进行碳微球的制备，是影响碳微球电极材料制备的关键技术
。

技术实现思路

[0003]针对目前碳微球制备过程繁琐成本较高的问题，本专利技术利用设备简单的水热反应釜，利用苏氨酸
、
天冬酰胺和谷氨酰胺等氨基酸中的
NH2与硫酸无机酸的中和反应制备出一系列氨基酸质子盐为原料，通过以下两种过程制备出具有不同孔隙结构和粒径大小的碳微球
:
（1）将质子盐在一定温度下进行水热反应，然后将离心
、
洗涤得到的碳微球与碳酸氢钠等无机盐按照物质的量比1：/>0.5
‑
2.5
范围内混匀，以一定的升温速率（
5℃min
‑1）在
700
‑
900℃
范围内将混合物碳化2小时后经自然冷却获得多孔碳微球；（2）将氨基酸质子盐与
FeCl3等无机盐按照物质的量比为1：
0.1
‑3范围内经过低温水热自聚合的过程形成碳微球，且随着无机盐的比例增加碳微球的粒径变小，离心洗涤后以一定的升温速率（
3℃min
‑1）在
700
‑
900℃
范围内热解碳化2小时后经自然冷却获得多孔碳微球
。
将上述两种途径制备的多孔碳微球用于超级电容器，经过电化学性能测试制备的碳微球电极材料具有较高的电荷储存能力，且该方法制备过程简单，无二次污染
。
[0004]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法，包括以下步骤：
S1.
制备质子盐：以含有
NH2的氨基酸和硫酸制备氨基酸质子盐；
S2.
制备碳微球：以氨基酸质子盐为原料直接在不同温度下水热自聚制备碳微球或先将氨基酸质子盐和无机盐混合后利用水热法经过自聚合制备碳微球；整个过程中分子结构中的氨基和羧基缩合能形成稳定五元环或六元环的氨基酸质子盐以及酰胺键水解后能够聚合形成稳定五元环或六元环的酰胺类的氨基酸质子盐
。
[0005]S3.
制备多孔碳微球电极材料：将碳微球与碳酸氢钠研磨后在惰性氛围中不同温度下碳化热解得到具有不同分级孔结构的多孔碳微球，或将碳微球直接在惰性气体氛围下经过热解获得具有
N/S
杂原子掺杂和分级孔结构的碳微球
。
进一步的，所述含有
NH2的氨基酸为天冬酰胺
、
苏氨酸
、
谷氨酰胺
、
精氨酸
、
半胱氨
称取
1.05
‑
1.60g
天冬酰胺于小烧杯中，加入一定物质的量比的硫酸溶液（
0.01
‑
0.02molL
‑1）制备质子盐，将质子盐与
FeCl3按照一定比例（
0.01
‑
0.03molL
‑1）混匀，将混合溶液放置于水热反应釜中，经过低温（
180
‑
240℃
）水热反应
12
‑
24h
，反应结束并冷却后经过洗涤
、
烘干得到粒径范围在
0.5
‑
3.0
μ
m
的碳微球，放置于管式炉中氮气氛围下在
600
‑
900℃
进行碳化热解，升温速率为
5℃/min
，冷却后洗涤至中性，即可获得具有一定孔隙结构的多孔碳基电极材料
。
[0021]实施例3称取
1.00
‑
2.40g
苏氨酸于小烧杯中，加入一定物质的量比的硫酸溶液（
0.01
‑
0.02molL
‑1），将质子盐与
FeCl3按照物质的量比（
0.01
‑
0.03molL
‑1）混合均匀，将混合溶液放置于水热反应釜中，经过低温（
180
‑
240℃
）水热反应
12
‑
24h
，反应结束并冷却后经过洗涤
、
烘干得到粒径范围在
1.0
‑
4.0
μ
m
的碳微球，在管式炉中氮气氛围下在
800℃
进行碳化热解，升温速率为
5℃/min
，冷却后洗涤至中性，即可获得具有一定孔隙结构的多孔碳基电极材料
。
[0022]实施例4称取谷氨酰胺
1.46
‑
2.92g
于小烧杯中，依次加入一定物质的量比的硫酸溶液（
0.01
‑
0.03molL
‑1）和
FeCl3（
0.01
‑
0.03molL
‑1），经过搅拌后将获得混合溶液放置于水热反应釜中，经过低温（
180
‑
240℃
）水热反应
12
‑
24h
，反应结束并冷却后经过洗涤
、
烘干得到粒径范围在
0.5
‑5μ
m
的碳微球，在管式炉中氮气氛围下在
800℃
进行碳化热解，升温速率为5‑
10℃/min
，冷却后洗涤至中性，即可获得具有一定孔隙结构的多孔碳基电极材料
。
[0023]实施例5称取精氨酸
1.74
‑
2.52g
于小烧杯中，依次加入一定物质的量比的硫酸溶液（
0.01
‑
0.04molL
‑1）和
FeCl3（
0.01
‑
0.02molL
‑1），经过搅拌后将获得混合溶液放置于水热反应釜中，经过低温（
200
‑
260℃...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.
制备质子盐：以含有
NH2的氨基酸和硫酸制备氨基酸质子盐；
S2.
制备碳微球：以氨基酸质子盐为原料直接在不同温度下水热自聚制备碳微球或先将氨基酸质子盐和无机盐混合后利用水热法经过自聚合制备碳微球；
S3.
制备多孔碳微球电极材料：将碳微球与碳酸氢钠研磨后在惰性氛围中不同温度下碳化热解得到具有不同分级孔结构的多孔碳微球，或将碳微球直接在惰性气体氛围下经过热解获得具有
N/S
杂原子掺杂和分级孔结构的碳微球
。2.
如权利要求1所述的水热法调控杂原子掺杂多孔碳微球的制备方法，其特征在于：所述含有
NH2的氨基酸为天冬酰胺
、
苏氨酸
、
谷氨酰胺
、
精氨酸
、

【专利技术属性】
技术研发人员：周华，万亚军，崔伟娜，王丽，魏言真，刘进，张艳树，周永恒，孙瑞敏，
申请(专利权)人：开封大学，
类型：发明
国别省市：