本發(fā)明涉及一種碳材料及其制備方法，特別是涉及一種氮摻雜碳材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碳材料被譽為是21世紀(jì)材料，特別是高比表面積的碳材料，在能源、環(huán)境、催化、醫(yī)藥等領(lǐng)域展現(xiàn)了廣泛的用途。與純碳材料相比，經(jīng)雜原子摻雜改性后的碳材料在某些方面顯示出更為優(yōu)異的性能，在相應(yīng)的領(lǐng)域應(yīng)用也更加深入。
目前，制備高比表面積碳材料的方法，主要采用物理活化法、化學(xué)活化法、和物理化學(xué)活化法，即采用水蒸氣或二氧化碳進行活化，或者采用氫氧化鉀、磷酸、氯化鋅等進行活化。其次，氮摻雜也被認為是改善碳材料性能的一種有效手段，常用的方法是采用三聚氰胺、氨氣等為原料，在高溫條件下與碳材料進行反應(yīng)，得到氮摻雜碳材料。通常來講，制備高比表面積氮摻雜碳材料的途徑主要是先活化、再氮摻雜的方式，整個過程伴隨著酸洗和堿洗等流程，具有制備方法復(fù)雜、產(chǎn)量低等缺點。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的主要目的在于，提供一種新型的氮摻雜碳材料及其制備方法，所要解決的技術(shù)問題是使其制備方法簡單，從而更加適于實用。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題是采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的。依據(jù)本發(fā)明提出的一種氮摻雜碳材料的制備方法，包括:
1)將碳材料和含氮活化劑按質(zhì)量比1:0.5-10混勻，得到前驅(qū)體；其中所述含氮活化劑為加熱分解產(chǎn)生二氧化碳和水的含氮物質(zhì)；
2)將所述的前驅(qū)體置于石墨容器內(nèi)，所述石墨容器外壁包圍有石墨顆粒形成石墨顆粒層；
3)采用對所述的石墨顆粒層進行微波照射，使所述的前驅(qū)體中的含氮活化劑發(fā)生分解反應(yīng)。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的碳材料為石墨烯、炭黑、石油焦炭、煤炭、木炭或竹炭。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的含氮活化劑為碳酸銨和碳酸氫銨中的至少一種。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的使所述的前驅(qū)體中的含氮活化劑發(fā)生分解反應(yīng)具體為，前驅(qū)體的溫度為600-1000℃，保持該溫度2-120分鐘。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的氮摻雜碳材料的比表面積為500-1600m2/g。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的氮摻雜碳材料的氮含量為0.5-10wt％。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料的制備方法，其中所述的微波由微波爐提供，所述的石墨顆粒層填充于微波爐內(nèi)壁和石墨容器外壁之間。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明提出的一種氮摻雜碳材料，由上述方法制備而成。
本發(fā)明的目的及解決其技術(shù)問題還可采用以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn)。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料，其中所述的氮摻雜碳材料的比表面積為500-1600m2/g。
優(yōu)選的，前述的氮摻雜碳材料，其中所述的氮摻雜碳材料的氮含量為0.5-10wt％。
借由上述技術(shù)方案，本發(fā)明氮摻雜碳材料及其制備方法至少具有下列優(yōu)點：通過選擇含氮活化劑，并利用含氮活化劑在加熱分解時產(chǎn)生的水、二氧化碳和含氮化合物，同時對碳材料進行活化和氮摻雜，這樣避免了現(xiàn)有技術(shù)中活化和氮摻雜由不同的兩個步驟進行，從而使本發(fā)明的氮摻雜碳材料的制備步驟得到了簡化。本發(fā)明進一步確定了含氮活化劑在碳酸銨和碳酸氫氨中進行選擇，這兩個銨鹽具有易取得、成本低、分解后殘留少的優(yōu)點。當(dāng)然，現(xiàn)有技術(shù)中能夠在加熱狀態(tài)下分解出水或二氧化碳的其他含氮化合物皆可作為本發(fā)明中的含氮活化劑。
另外的，本發(fā)明采用微波照射作為加熱含氮活化劑的能量來源，通過設(shè)置碳顆粒層，所述碳顆粒層在微波照射下，可以均勻地產(chǎn)生熱量。在保證微波功率足夠大的情況下，可以實現(xiàn)碳顆粒層的整體快速升溫，同時通過石墨容器將熱量傳遞給前驅(qū)體，進而迅速提高前驅(qū)體的溫度達到并超過含氮活化劑的分解溫度，進而實現(xiàn)碳材料的活化及氮摻雜。
采用微波照射的方式，一部分的微波還會導(dǎo)致前驅(qū)體中的偶極分子做高頻往復(fù)運動，而前驅(qū)體的溫度升高，而這種方式不須任何熱傳導(dǎo)過程，就能使前驅(qū)體內(nèi)外部同時加熱、同時升溫，加熱速度快且均勻。
通過上述的含氮活化劑和微波加熱的共同配合，本發(fā)明提供的氮摻雜碳材料制備方法將活化和摻雜在一個過程中實現(xiàn)，活化和摻雜同時進行，有利于提高最終產(chǎn)品的比表面和氮含量。并且與現(xiàn)有技術(shù)相比，不產(chǎn)生過多的廢棄物，有利于節(jié)約和環(huán)保。
上述說明僅是本發(fā)明技術(shù)方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明的技術(shù)手段，并可依照說明書的內(nèi)容予以實施，以下以本發(fā)明的較佳實施例詳細說明如后。
具體實施方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預(yù)定發(fā)明目的所采取的技術(shù)手段及功效,以下結(jié)合較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的氮摻雜碳材料及其制備方法其具體實施方式、結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。在下述說明中，不同的“一實施例”或“實施例”指的不一定是同一實施例。此外，一或多個實施例中的特定特征、結(jié)構(gòu)、或特點可由任何合適形式組合。
本發(fā)明的一個實施例提出的一種氮摻雜碳材料及其制備方法，包括:
1)將碳材料和含氮活化劑按質(zhì)量比1:0.5-10混勻，得到前驅(qū)體；其中所述含氮活化劑為加熱分解產(chǎn)生二氧化碳和水的含氮物質(zhì)；
2)將所述的前驅(qū)體置于石墨容器內(nèi)，所述石墨容器外壁包圍有石墨顆粒形成石墨顆粒層；
3)采用對所述的石墨顆粒層進行微波照射，使所述的前驅(qū)體中的含氮活化劑發(fā)生分解反應(yīng)。
其中碳材料為石墨烯、炭黑、石油焦炭、煤炭、木炭或竹炭。
含氮活化劑為碳酸銨和碳酸氫銨中的至少一種，利用銨鹽分解產(chǎn)生的CO2、H2O對碳材料進行活化，NH3做為氮源對碳材料進行氮化。由于碳酸銨與碳酸氫銨的分解溫度較低，因此使用傳統(tǒng)的加熱方式，不能保證銨鹽分解的氣體與碳材料充分接觸，很難得到高比表面積的碳材料和氮摻雜的碳材料。
微波碳浴法的微波功率為500-10000W，使微波加熱前驅(qū)體至600-1000℃保持2-120分鐘。采用微波碳浴法，可在1-2min快速升溫至所需要的溫度，對碳材料進行加熱，使碳材料與銨鹽分解的氣體充分接觸和反應(yīng)，制備得到高比表面積氮摻雜的碳材料。微波碳浴法中碳顆粒能充分地吸收微波并產(chǎn)生熱量，所產(chǎn)生的熱量能均勻地傳遞給石墨容器，實現(xiàn)了對被加熱物的快速、均勻地加熱。
氮摻雜碳材料的比表面積為500-1600m2/g，氮含量為0.5-10wt％。
實施例1
稱取1g石墨烯和2g碳酸銨，混合均勻后置于石墨坩堝中，放入到微波爐中，采用微波碳浴法1000W加熱20min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜石墨烯，比表面積為527.7m2/g,氮含量為2.7wt％。
實施例2
稱取0.5g石油焦碳和1.75g碳酸氫銨，混合均勻后置于石墨坩堝中，放入到微波爐中，采用微波碳浴法750W加熱60min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜石油焦活性炭，比表面積為1527.7m2/g,氮含量為4.2wt％。
實施例3
稱取0.5g竹炭和2.5g碳酸銨，混合均勻后置于石墨坩堝中，放入到微波爐中，采用微波碳浴法10000W加熱15min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜竹炭，比表面積為1244.1m2/g,氮含量為6.2wt％。
實施例4
稱取0.5g煤炭、1.5g碳酸銨和2g碳酸氫鉀，混合均勻后置于石墨坩堝中，放入到微波爐中，采用微波碳浴法3000W加熱10min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜煤炭，比表面積為872.6m2/g,氮含量為4.3wt％。
實施例5
稱取0.5g木炭和1.5g碳酸銨，混合均勻后置于石墨坩堝中，采用微波碳浴法放入到微波爐中，500W加熱50min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜木炭，比表面積為651.3m2/g,氮含量為2.6wt％。
實施例6
稱取0.1g炭黑和1g碳酸氫銨，混合均勻后置于石墨坩堝中，放入到微波爐中，采用微波碳浴法放入到微波爐中5000W加熱8min中后，冷卻后取出即可得到氮摻雜炭黑，比表面積為1132.5m2/g,氮含量為9.2wt％。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。