本发明专利技术公开了一种聚合物改性制备氮掺杂碳材料的方法，能够制备氮掺杂量5-26?at%?的氮掺杂碳质材料。本发明专利技术方法特征在于：选用含氮有机化合物作为氮前驱体，利用含氮有机化合物在碳质材料上发生聚合反应，形成含氮聚合物与碳质材料的复合物，然后对聚合物/碳质材料复合物在惰性气氛下进行热处理，使复合物中的含氮聚合物碳化，实现对碳质材料的氮掺杂，制备氮掺杂碳质材料。本发明专利技术在对碳质材料进行有效氮掺杂的同时，能够保证碳质材料原有的本征结构，并且可制备氮含量高达5-26at%的氮掺杂碳质材料，显著提高碳材料作为超级电容器电极材料的比容量，具有工艺过程简单、适用性广的特点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氮掺杂碳质材料的制备技术，特别是。
技术介绍
碳材料由于其独特的物理化学特性，使其在材料、化工、生物医药、能源、电子、航空航天和军工等领域有着广泛和重要的应用。近年来，随着新型碳材料(如碳纳米管、石墨烯等)合成和制备技术的发展，尤其新颖和优异功能的发现，碳材料被普遍认为将是二十一世纪最具前途的功能材料之一。然而，由于碳的憎水性本质及其表面活性低的特点，使碳 材料，尤其一些纳米碳材料或多孔碳材料(碳纤维、碳纳米管、活性碳、石墨烯等)的广泛应用受到限制，因此，通过对碳材料进行表面改性，提高其水分散性能和表面活性，成为开拓和推动碳材料应用的有效途径。氮掺杂是通过在碳骨架中引入氮杂原子，或在碳材料表面引入含氮官能团，从而对碳材料进行改性的一类方法，其不仅可以有效改善碳材料的水溶性和提高表面活性，而且能够增强碳材料的导电性并赋予碳材料某些新的功能，增强其应用性能，如在超级电容器领域，氮掺杂多孔炭材料作为超级电容器电极能够通过其含氮官能团引入的准法拉第反应而显著增大电容器的比电容(Denisa Hulicova-Jurcakova,Masaya Kodamaj Soshi Shiraishijetal.， Nitrogen—rnriched nonporous carbonelectrodes with extraordinary supercapacitance, Adv. Funct. Mater. 2009， 19，1800 - 1809);在燃点电池领域，氮掺杂碳质材料作为催化剂载体，一方面可改善贵金属催化剂在载体表面的分散性和与载体的结合强度，提高催化剂活性和使用寿命，另一方面，近期研究发现，碳载体中的氮杂原子本身还具有一定的氧还原催化活性，因而可减少贵金属催化剂的用量(Y. Tang, B. L. Allen, D. R. Kauffman, et al. , Electrocatalyticactivity of nitrogen-doped carbon nanotube cups, J. Am. Chem. Soc. , 2009, 131:13200-13201)。目前，合成或制备氮掺杂碳质材料主要有以下几种方法一种是在合成碳材料过程中，通过使用含氮前驱体作为碳源实现氮掺杂目的，但由于含氮前驱体热解过程中大量氮以气体的形式损失而难以获得高的氮掺杂量，并且去除催化剂的过程通常会破坏碳质材料本征结构(Sen, R. Satishkumar, B. C. ; Govindaraj, A. ; et al.,Nitrogen-containing carbon nanotubes, J. Mater. Chem. , 1997, 7 (12): 2335);另一种是通过对合成的碳材料进行表面化学改性进行氮掺杂，如强酸或NH3等化学处理方法可实现对碳材料的有效氮摻杂，但此种处理方式在引入含氮官能的同时，也会导致碳材料的原有结构遭到破坏，如导电性降低等(Arrigo, R, Havecker, M. Schlogl, R. Su, D.S， Dynamic surface rearrangement and thermal stability of nitrogen functionalgroups on carbon nanotubes Chem. Commun. , 2008: 4891);米用含氮有机溶剂对碳材料进行氮掺杂是一种相对温和的方法，由于碳质材料与有机溶剂具有很好的相溶性，有利于对碳材料进行均匀氮掺杂，并且不会明显破坏碳材料的原有结构特征，但其掺氮量较低(李莉香，刘永长，耿新，安百刚，氮掺杂碳纳米管的制备及电化学性能研究，物理化学学报，2011，27: 443)。
技术实现思路
本专利技术提供了一种聚合物改性制备氮掺杂碳材料的方法，能够制备氮掺杂量5-26at%的氮掺杂碳质材料。本专利技术提供的，其特征在于 选用含氮有机化合物作为氮前驱体，利用含氮有机化合物在碳质材料上发生聚合反应，形成含氮聚合物与碳质材料的复合物，然后对聚合物/碳质材料复合物在惰性气氛下进行热处理，使复合物中的含氮聚合物碳化，实现对碳质材料的氮掺杂，制备氮掺杂碳质材料，具体为以浓度为O. l-2mol/L的盐酸为溶剂，依次将碳质材料和氮前驱体加入到溶剂中，氮前驱体与碳质材料的质量比在11:1一1:20范围，然后超声分散O. 5—5小时，再在常温下机械搅拌O. 5—1小时，之后，向溶液中加入聚合反应引发剂，氮前驱体与聚合反应引发剂的质量比控制在10 1-1 1范围，在加入聚合反应引发剂的同时对溶液进行机械搅拌或超声分散，之后再在常温下继续机械搅拌O. 5— 5小时，然后将溶液冷却至O— 10°C，再经过滤、蒸馏水清洗再过滤后，将得到的产物在60-90°C下在真空干燥10小时，将干燥后的产物在惰性气氛下，以5-10°C /分钟的升温速率升温至600-900°C，然后恒温1_5小时进行热处理，之后自然冷却至室温，制备得到氮掺杂碳质材料。所述的碳质材料为零维碳质材料或准一维碳质材料或二维碳质材料,零维碳质材料包括活性炭、富勒烯中的任意一种；准一维碳质材料包括单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管和碳纤维、活性炭纤维中的任意一种；二维碳质材料包括石墨烯。所述的含氮有机化合物包括自脂肪族硝基化合物、芳香族硝基化合物、胺类重氮化合物和偶氮化合物中的任意一种。所述胺类重氮化合物包括脂肪胺、芳香胺中的任意一种。所述的聚合反应引发剂为过硫酸盐类引发剂或有机硅引发剂，过硫酸盐类引发剂包括过硫酸铵；有机硅引发剂包括单官能团引发剂、双官能团引发剂、乙烯酮硅烷缩醛类化合物引发剂和亚膦酸盐弓I发剂中的任意一种。所述的惰性气氛为氮气、氦气、氩气中的任意一种或它们的混合气体。本专利技术与现有同类技术相比，其显著的有益效果体现在通过含氮有机分子在碳材料表面发生聚合反应，形成含氮聚合物与碳材料的复合物，然后，在惰性气氛下使复合物在一定温度下碳化，制备氮掺杂碳质材料。该方法在对碳质材料进行有效氮掺杂的同时，能够保证碳质材料原有的本征结构，并且可制备氮含量高达5_26at%的氮掺杂碳质材料，显著提高碳材料作为超级电容器电极材料的比容量，具有工艺过程简单、适用性广的特点。附图说明图I是聚合物改性氮掺杂碳材料多壁碳纳米管掺氮前的X-射线光电子谱图。图2是聚合物改性氮掺杂碳材料多壁碳纳米管掺氮后的X-射线光电子谱图。图3是聚合物改性氮掺杂碳材料活性炭掺氮前的X-射线光电子谱图。图4是聚合物改性氮掺杂碳材料活性炭掺氮后的X-射线光电子谱图。具体实施例方式下面结合附图，用实施例对本专利技术进一步详细说明。实施例I，聚合物改性氮掺杂碳材料聚苯胺改性氮掺杂碳纳米管制备取用日本公司生产的多壁碳纳米管，平均外径为30_60nm。称取60mg，加到浓度为O.2mol/L盐酸溶液中，再加入O. 35克苯胺，超声分散O. 5小时。室温下搅拌O. 5小时，加入0.5克过硫酸铵，继续搅拌I. 5小时，然后将该溶液于冰水混合浴中冷却至(T5°C，之后去离子水洗涤，过滤，将滤后得到的产物在80°C真空干燥10小时；将干燥后的产物在氮气保护下600°C热处理，升温速度为5°C /分钟，恒本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种聚合物改性制备氮掺杂碳质材料的方法，其特征在于：选用含氮有机化合物作为氮前驱体，利用含氮有机化合物在碳质材料上发生聚合反应，形成含氮聚合物与碳质材料的复合物，然后对聚合物/碳质材料复合物在惰性气氛下进行热处理，使复合物中的含氮聚合物碳化，实现对碳质材料的氮掺杂，制备氮掺杂碳质材料，具体为：以浓度为0.1？2mol/L的盐酸为溶剂，依次将碳质材料和氮前驱体加入到溶剂中，氮前驱体与碳质材料的质量比在11:1—1:20范围，然后超声分散0.5—5小时，再在常温下机械搅拌0.5—1小时，之后，向溶液中加入聚合反应引发剂，氮前驱体与聚合反应引发剂的质量比控制在10：1—1：1范围，在加入聚合反应引发剂的同时对溶液进行机械搅拌或超声分散，之后再在常温下继续机械搅拌0.5—5小时，然后将溶液冷却至0—10℃，再经过滤、蒸馏水清洗再过滤后，将得到的产物在60？90℃下在真空干燥10小时，将干燥后的产物在惰性气氛下，以5？10℃/分钟的升温速率升温至600？900℃，然后恒温1？5小时进行热处理，之后自然冷却至室温，制备得到氮掺杂碳质材料。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：安百钢，李莉香，陶晶，耿新，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：
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