一种氮掺杂碳材料及其制备方法技术

技术编号：40288439 阅读：6 留言：0更新日期：2024-02-07 20:40

本发明专利技术公开了一种氮掺杂碳材料。所述碳材料的孔结构由微孔和介孔组成；其比表面积为950‑1080m<supgt;2</supgt;/g，掺杂氮的含量为2.9‑5.0wt％；氮的存在形式包括：吡啶‑N，吡咯‑N和石墨‑N。所述氮掺杂碳材料是以CaC<subgt;2</subgt;作为碳源、N<subgt;2</subgt;作为氮源，在800‑900℃下反应而生成。本发明专利技术采用了无色无味、安全性更高的N<subgt;2</subgt;，而非刺激性NH<subgt;3</subgt;或其他含氮固态物质作为氮源，有效地实现了碳材料的氮掺杂。该方法能够通过反应温度有效地调控掺杂氮的含量及形式，避免了以NH<subgt;3</subgt;等刺激性气体为氮源时对环境、人体带来的不利影响；所述氮掺杂碳材料具有高比电容和倍率性能。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于多孔碳材料领域，尤其涉及一种氮掺杂碳材料及其制备方法。

技术介绍

1、超级电容器作为目前一大电化学储能技术之一，凭借其高功率密度和长循环寿命的突出优点被广泛应用于能源、电信、军事装备和工业生产等领域。碳电极材料作为超级电容器核心组成部分，对其储能性能起到至关重要的作用。目前，超级电容器电极材料以多孔碳材料为主流，在多孔碳材料中引入氮原子可以提高多孔碳材料的电容性能；氮掺杂可以改变碳材料的局域电子结构，增强其与电解液的浸润性，提高碳材料的比电容。氮掺杂多孔碳材料因具有高的比表面积、丰富的孔隙结构和大量的表面含氮官能团，进而赋予其独特的物理化学性质，展现出在电极材料、吸附剂、储氢和催化等领域的巨大应用潜力。

2、目前含氮多孔碳材料的合成方法，可分为两类：一类是含氮材料的原位合成，另一类是对多孔碳材料的改性。原位氮掺杂碳材料的合成往往由含氮化合物通过模板法、溶胶凝胶法等方法合成，存在操作复杂、成本高等缺点；后者主要通过适当的化学方法将目标官能团引入多孔碳材料中，例如将碳前体与含氮的强还原性气体(如nh3)或固体(如尿素、三聚氰胺等)，利用高温或/和高压条件下将氮元素掺入碳材料；往往存在掺杂效率低、排放大量有毒气体等缺点。

3、因此，开发一类清洁环保、低成本且易于规模化合成的氮掺杂碳材料制备工艺具有重要的实用价值。

技术实现思路

1、基于上述技术问题，本专利技术提供了一种氮掺杂碳材料及其制备方法；所述方法以cac2为碳源，n2为氮源，在一定温度下反应得

2、本专利技术具体方案如下：

3、本专利技术提供了一种氮掺杂碳材料，所述碳材料为多孔结构，由微孔和介孔组成，比表面积为950-1080m2/g；掺杂氮的含量为2.9-5.0wt％，氮的存在形式包括：吡啶-n，吡咯-n和石墨-n。

4、优选地，介孔尺寸为3.5-7.0nm。

5、优选地，吡啶-n，吡咯-n，石墨-n三者的质量比为1-3:4-6:3-4。

6、优选地，所述氮掺杂碳材料是以cac2作为碳源，以n2作为氮源，在800-900℃下经化学反应制备得到。

7、本专利技术还提供了所述的氮掺杂碳材料的制备方法，包括：s1、将cac2与球磨珠混合，进行球磨处理；s2、将球磨后的cac2与n2于800-900℃下反应2-5h。

8、优选地，s1中，cac2与球磨珠的质量比为1:15-20；球磨转速为500-900r/min，球磨时间为15-24h。

9、优选地，还包括，将s2反应后的材料冷却至室温，先用盐酸洗涤然后采用去离子水和无水乙醇反复洗涤，干燥得到。

10、本专利技术有益效果：

11、相较于现有的以含刺激、易燃的含氮气体(如nh3)或固态氮源(如尿素、三聚氰胺等)掺氮方法，本专利技术以cac2作为碳源，惰性气体n2作为氮源，在800-900℃下反应获得。原本惰性的n2在反应过程中掺杂进cac2衍生碳材料内部，有效实现了氮掺杂，并且整个过程可控，能够通过控制反应温度有效的调控掺杂n的存在形式以及氮含量，还避免了所使用nh3等刺激性气体对环境、人体带来的不利影响。

12、采用上述方法得到的氮掺杂碳材料，由微孔和介孔组成，氮以吡啶-n，吡咯-n，石墨-n形式存在，具有优异的电容性能。

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【技术保护点】

1.一种氮掺杂碳材料，其特征在于，所述碳材料为多孔结构，由微孔和介孔组成，比表面积为950-1080m2/g；掺杂氮的含量为2.9-5.0wt％，氮的存在形式包括：吡啶-N，吡咯-N和石墨-N。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，介孔尺寸为3.5-7.0nm。

3.根据权利要求1或2所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，吡啶-N，吡咯-N，石墨-N三者的质量比为1-3:4-6:3-4。

4.根据权利要求1-3任一项所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料是以CaC2作为碳源，以N2作为氮源，在800-900℃下经化学反应制备得到。

5.权利要求1-4任一项所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括：S1、将CaC2与球磨珠混合，进行球磨处理；S2、将球磨后的CaC2与N2于800-900℃下反应2-5h。

6.根据权利要求5所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，S1中，CaC2与球磨珠的质量比为1:15-20；球磨转速为500-900r/min，球磨时间为15-24h。

7.根据权利

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【技术特征摘要】

1.一种氮掺杂碳材料，其特征在于，所述碳材料为多孔结构，由微孔和介孔组成，比表面积为950-1080m2/g；掺杂氮的含量为2.9-5.0wt％，氮的存在形式包括：吡啶-n，吡咯-n和石墨-n。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，介孔尺寸为3.5-7.0nm。

3.根据权利要求1或2所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，吡啶-n，吡咯-n，石墨-n三者的质量比为1-3:4-6:3-4。

4.根据权利要求1-3任一项所述的氮掺杂碳材料，其特征在于，所述氮掺杂碳材料是以cac2作为碳源，以n2作为氮源，在800-900℃下经...

【专利技术属性】
技术研发人员：卜永锋，姜文雅，张鸿宇，康勤，王世豪，李雨蔓，唐声炟，梁红玉，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：

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