一种硼氮元素掺杂微孔碳材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种硼氮元素掺杂微孔碳材料的制备方法及其气体吸附性能，具体的说是以金属有机框架化合物ZIF-8和硼氮类化合物为前驱体通过高温烧结法制备硼氮元素掺杂的微孔碳材料及其氢气，二氧化碳，氮气等气体的吸附性能。制备步骤如下：1）制备多孔金属有机框架化合物ZIF-8；2）通过溶液浸渍的办法将硼氮类化合物（如氨硼烷）限域到金属有机框架化合物ZIF-8的孔道内部；3）将复合材料在氩气气氛下高温煅烧，制得硼氮元素掺杂的微孔碳材料。本发明专利技术制备工艺简单，制得的碳材料实现了硼氮元素的同时掺杂且微孔尺寸分布集中，具备良好的氢气吸附性能和对二氧化碳的选择性吸附性能。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及及其气体吸附性能，具体的说是以金属有机框架化合物ZIF-8和硼氮类化合物为前驱体通过高温烧结法制备硼氮元素掺杂的微孔碳材料及其氢气，二氧化碳，氮气等气体的吸附性能。制备步骤如下：1）制备多孔金属有机框架化合物ZIF-8；2）通过溶液浸渍的办法将硼氮类化合物（如氨硼烷）限域到金属有机框架化合物ZIF-8的孔道内部；3）将复合材料在氩气气氛下高温煅烧，制得硼氮元素掺杂的微孔碳材料。本专利技术制备工艺简单，制得的碳材料实现了硼氮元素的同时掺杂且微孔尺寸分布集中，具备良好的氢气吸附性能和对二氧化碳的选择性吸附性能。【专利说明】
本专利技术涉及及其气体吸附性能，具体的说是以金属有机框架化合物ZIF-8和硼氮类化合物氨硼烷为前驱体通过高温烧结法制备的硼氮元素掺杂的微孔碳材料及其氢气，二氧化碳，氮气等气体的吸附性能。
技术介绍
纳米多孔碳材料由于具备较高的比表面积，较大的孔容和优良的化学稳定性，在气体吸附分离，催化剂载体和电极材料等方面得到了广泛的应用。用于合成纳米多孔碳材料的方法主要有以下几种:1)物理和化学活化法；2)化学气相沉积法；3)高聚物碳化法；4)模板法等。其中由于模板法易于操作和易于控制材料的结构性质而被广泛使用。传统的多孔材料如多孔硅和多孔沸石已经成功的被用来作为模板来合成多孔碳材料。但由于目前模板材料自身孔道性质的特点，比如孔径较大且孔径尺寸分布不均，模板表面积较小等性质导致制备的多孔碳材料表面积较小且孔径分布范围较广。寻找新的优良的模板材料是制备高性能多孔碳材料的关键。另一方面，由于金属有机框架化合物(MOFs)具有孔道尺寸可调、较大的比表面积和结构组成多样等特点，使其研究受到各国研究者的高度重视。美国的Yaghi(N.L.Rosi, J.Eckert, M.Eddaoudi, D.T.Vodak, J.Kim, M.0’ Keeffe and 0.M.Yaghi, Science,2003, 300, 1127-1129),法国的 F6rey (G.Ferey, M.Latroche, C.Serre, F.Millange, T.Loiseau and A.Percheron-Guegan, Chem Commun, 2003，2976-2977)等多个研究小组在多孔金属有机化合物的结构设计和性能研究方面获得了许多引人注目的研究成果。目前针对金属有机框架化合物本身性能的开发已做了大量的研究。比如在气体储存(特别是储存氢气)、气体分离、催化、非线性光学、磁学等方面多孔金属有机化合物都有着潜在的应用前景。多孔金属有机化合物，是由无机金属中心与有机官能团，通过共价键或离子键相互连接，共同构筑的具有规则孔道`或孔穴结构的晶态多晶材料。其规则的孔道可以用来作为模板而有机配体可以用来作为碳源。鉴于此，我们选择金属有机框架化合物(ZIF-8)作为模板与前驱体来制备多孔碳材料。并且通过溶液浸溃的办法将氨硼烷引入到其孔道内部，经高温煅烧后实现硼氮元素的同时掺杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，并具有良好的氢气吸附性能和二氧化碳的选择性吸附性能。本专利技术的另一目的是，提供一种以多孔金属有机化合物和硼氮类化合物为前驱体制备元素掺杂多孔碳材料的方法。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案为:硼氮元素掺杂微孔碳材料的制备方法，具体制备过程为:I)将金属无机盐和咪唑类配体溶解于有机溶剂中(每200mL溶剂加入I~20mmol金属无机盐和70~90mmol有机咪唑配体)，反应温度为10~30°C，晶化反应时间为10~50小时，将产物收集，抽滤、洗涤(用水或有机溶剂)、在30~150°C真空干燥，200-300°C真空活化，制得ZIF-8.2)将0.5-3mol/L的氨硼烷溶液浸溃到ZIF-8孔道内，制得金属有机框架化合物ZIF-8限域氨硼烷的复合材料。3)将ZIF-8限域氨硼烷的复合材料置于高温炉中，采用氩气气氛(气体流速为10(T400mL/min)，以I~10° C/min的升温速率升温至800~1200° C，在800~1200° C保持2-10小时，在氩气气氛中降温到室温。对所述硼氮元素掺杂微孔碳材料进行气体吸脱附性能测试，所述气体吸附性能测试采用的是体积法，对所述硼氮元素掺杂微孔碳材料进行气体吸脱附性能测试在美国康塔公司的Absorb-1物理吸附仪上进行，具体操作过程为:I)将硼氮元素掺杂微孔碳材料称量0.l-2g放入样品管中，密封真空活化，活化温度:140 — 300°C，活化时间:5-15h。2)储氢测试在77K，87K两个温度条件下恒温进行。3) 二氧化碳吸脱附测试是在273K，298K两个温度条件下恒温进行。4)氮气吸脱附测试是在77K，273K两个温度条件下恒温进行。5)甲烷吸附测试是在273K，298K两个温度条件下恒温进行。所述硼氮元素掺杂微孔碳材料具备良好的氢气储存性能，77K，820mmHg的氢压条件下，吸氢量可达到1.83wt%。所述硼氮元素掺杂微孔碳材料具备良好二氧化碳选择性吸附性能，273K，780mmHg的压力条件下，每克硼氮元素掺杂微孔碳材料可吸附IOOcm3的二氧化碳，同等条件下氮气和甲烷的吸附量仅为20cm3和45cm3。本专利技术具有如下优点:(I)采用金属有机框架材料和硼氮类化合物为前驱体，制备了孔径分布在0.6-1.2nm硼氮元素掺杂的多孔碳材料。碳材料的粒子颗粒较小比表面积较大，该专利技术的制备工艺简单，易操作。(2)该硼氮元素掺杂的微孔碳材料具有良好的气体吸附性能。在77K，820mmHg的氢压条件下，吸氢量可达到1.83wt%。在273K，780mmHg的压力条件下，每克硼氮元素掺杂微孔碳材料可吸附IOOcm3的二氧化碳，同等条件下氮气和甲烷的吸附量仅为20cm3和45cm3。本专利技术制备工艺简单，制得的碳材料实现了硼氮元素的同时掺杂且微孔尺寸分布集中，具备良好的氢气吸附性能和对二氧化碳的选择性吸附性能。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术的实施例1制备ZIF-8样品的XRD谱图。图2为本专利技术的实施例1制备硼氮元素掺杂微孔碳材料样品的XRD谱图。图3为本专利技术的实施例1制备的硼氮元素掺杂微孔碳材料样品的77K氮气物理吸附与孔径分布曲线；图4为本专利技术的实施例2硼氮元素掺杂微孔碳材料样品77K与87K氢气吸附曲线.图5为本专利技术的实施例3硼氮元素掺杂微孔碳材料样品273K 二氧化碳气体吸附曲线；图6为本专利技术的实施例4硼氮元素掺杂微孔碳材料样品273K甲烷气体吸附曲线。【具体实施方式】实施例11.称取2.933g六水硝酸锌和6.489g 二甲基咪唑分别溶于200ml甲醇溶液中。剧烈搅拌3tT6h，静止过夜。将产物过滤，用新鲜的甲醇溶液洗涤，30° C真空过夜，制得ZIF-8样品。300° C真空加4h，获得活化后的ZIF-8样品。2.在氩气氛围的手套箱中将3ml、2mol/L的氨硼烷溶液加到一克活化后的ZIF-8样品，超声浸溃5h，室温真空干燥过夜。制得氨硼烷和金属有机框架化合物ZIF-8的复合材料。3.将上述复合材料放入高温炉中，采用氩气气氛(气体流速为10(T400mL/min)，以I~10° C/min的升温速率升温至800~1200° C，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种硼氮元素掺杂微孔碳材料的制备方法，其特征在于：以金属有机框架化合物ZIF?8和硼氮类化合物氨硼烷为前驱体通过高温烧结法制备；相应材料制备过程为：1）将0.5?3mol/L的氨硼烷溶液浸渍到ZIF?8孔道内，制得金属有机框架化合物ZIF?8限域氨硼烷的复合材料；2）将ZIF?8限域氨硼烷的复合材料置于高温炉中，采用氩气气氛，气体流速为100~400mL/min，以1~10°C/min的升温速率从室温升温至800~1200°C，在800~1200°C保持2~10小时，在氩气气氛中降温到室温，得产物。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：孙立贤，司晓亮，徐芬，张箭，王自强，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：