本發(fā)明屬于碳材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種氮摻雜多孔碳的制備方法，具體來說是一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法。

背景技術(shù)：

多孔碳材料具有可控的孔隙結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)性質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于催化、吸附分離、傳感、電化學(xué)等領(lǐng)域，通過改性、摻雜等方法可以進(jìn)一步改善多孔碳材料的性能，提高其應(yīng)用價(jià)值。其中氮是碳材料摻雜的理想元素，通過氮摻雜可以有效地改善碳材料的物理、化學(xué)等性質(zhì)。

目前，用于含氮多孔碳材料合成的方法有很多，大致可以歸納為兩類：原位摻雜和后處理兩種。要得到高氮含量的多孔碳材料通常需用原位摻氮法，在硬模板法或軟模板法制備多孔碳過程中引入含氮前驅(qū)體。最常用的含氮前驅(qū)體包括胺基糖類、三聚氰胺、苯甲胺等。盡管通過原位摻氮的方法可以得到高氮含量的多孔碳，但也存在著很多的問題，比如：制備過程需要用到諸多有機(jī)化學(xué)試劑，價(jià)格相對(duì)昂貴；去除模板過程需要用到氫氟酸等強(qiáng)腐蝕劑，過程繁瑣復(fù)雜且環(huán)境不友好，因此這種方法不適用于工業(yè)應(yīng)用。因此，如何簡(jiǎn)單且有效地制備高氮含量的多孔碳材料是目前仍需努力解決的問題。

針對(duì)目前環(huán)境污染、能源緊缺的問題，合理的開發(fā)可再生資源，合成一些能性的能源與環(huán)保材料具有重要的意義。天然生物質(zhì)材料的主要成分為天然有機(jī)高分子，是碳質(zhì)材料的重要前驅(qū)體。關(guān)于碳材料的研究很多，但可控合成具有特定結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的碳材料仍具有一定的挑戰(zhàn)。由于碳材料的前驅(qū)體和合成方法是影響碳材料性質(zhì)的兩個(gè)重要因素，因此，對(duì)比研究不同體系下碳質(zhì)材料的合成、性質(zhì)，對(duì)碳質(zhì)材料的開發(fā)與應(yīng)用研究具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種制備方法簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模生產(chǎn)，高含量氮摻雜多孔碳材料的制備方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案。

一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，具體步驟如下：首先，將粉碎后的生物質(zhì)原料與含氮聚合物按比例混合；然后，將混合后樣品在惰性氣氛下進(jìn)行碳化后；最后，將碳化產(chǎn)物用活化劑進(jìn)行活化，得到生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料；其中：生物質(zhì)原料為荸薺。

本發(fā)明中，含氮聚合物為三聚氰胺。

本發(fā)明中，生物質(zhì)原料與含氮聚合物的質(zhì)量比為1:1～3～2，碳化溫度為495～505℃。

本發(fā)明中，活化劑為koh，碳化產(chǎn)物與活化劑的質(zhì)量比為1：1-1：4。

本發(fā)明中，活化溫度為600-900℃，活化時(shí)間為1-3小時(shí)。

本發(fā)明中，所得到的生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料中的孔為微孔，其孔徑分布在0.4～6nm之間；材料的比表面積在1600～3500g/m²之間；氮含量在5～9wt％之間。

本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

1、本發(fā)明以天然生物質(zhì)原料為碳源，含氮聚合物為氮源制備多孔碳材料，原料來源廣泛，成本低廉；通過高溫碳化活化的方法制備氮摻雜多孔碳材料，制備方法簡(jiǎn)便。

2、本發(fā)明的方法制備出的氮摻雜多孔碳材料具有高的氮含量，高的比表面積，孔徑分布均一，呈現(xiàn)典型的微孔特征，在吸附、超級(jí)電容器、鋰離子電池等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是實(shí)施例1得到氮摻雜多孔碳材料的吸脫附曲線圖。

圖2是實(shí)施例1得到氮摻雜多孔碳材料的孔徑分布圖。

圖3是實(shí)施例1得到氮摻雜多孔碳材料的sem圖。

圖4是實(shí)施例1得到氮摻雜多孔碳材料的tem圖。

具體實(shí)施方式

下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。

實(shí)施例1

一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質(zhì)原料荸薺首先經(jīng)過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質(zhì)與三聚氰胺按質(zhì)量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時(shí)間為2小時(shí)，自然冷卻后得到碳化產(chǎn)物，再與koh按1:3的質(zhì)量比混合，然后將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化活化，溫度為800℃，時(shí)間為2小時(shí)，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為3400m²/g，孔徑集中分布在0.4-4nm，氮含量為7.4％。

如圖1～圖4所示，圖1是實(shí)施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的氮?dú)馕摳角€，可以看出此曲線為典型的ⅰ型等溫線，這說明材料呈現(xiàn)出典型的微孔特征，該材料的比表面積達(dá)到3400m²/g。圖2是實(shí)施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的孔徑分布曲線，從圖可以看出，該材料孔結(jié)構(gòu)主要以微孔為主，孔徑主要分布在0.4-4nm之間。圖3是實(shí)施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的sem圖。圖4是實(shí)施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的tem圖，從圖可以看出，該材料具有明顯的微孔結(jié)構(gòu)。

實(shí)施例2

一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質(zhì)原料荸薺首先經(jīng)過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質(zhì)與三聚氰胺按質(zhì)量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時(shí)間為2小時(shí)，自然冷卻后得到碳化產(chǎn)物，再與koh按1:1的質(zhì)量比例混合，然后將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化活化，溫度為600℃，時(shí)間為1小時(shí)，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為1621m²/g，孔徑集中分布在0.6-3nm，氮含量為9.2％。

實(shí)施例3

一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質(zhì)原料荸薺首先經(jīng)過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質(zhì)與三聚氰胺按質(zhì)量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時(shí)間為2小時(shí)，自然冷卻后得到碳化產(chǎn)物，再與koh按1:4的比例混合，然后將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化活化，溫度為900℃，時(shí)間為3小時(shí)，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為2730m²/g，孔徑集中分布在0.4-6nm，氮含量為5.3％。

實(shí)施例4

一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質(zhì)原料荸薺首先經(jīng)過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質(zhì)與三聚氰胺按質(zhì)量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時(shí)間為2小時(shí)，自然冷卻后得到碳化產(chǎn)物，再與koh按1:2的質(zhì)量比例混合，然后將混合樣品在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化活化，溫度為700℃，時(shí)間為2小時(shí)，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為3100m²/g，孔徑集中分布在0.6-4nm，氮含量為8.1％。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種生物質(zhì)基氮摻雜多孔碳材料的制備方法。該制備方法的具體步驟如下：首先，將生物質(zhì)原料與含氮聚合物按比例混合；然后，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行高溫碳化；最后，將碳化產(chǎn)物和活化劑混合，進(jìn)行高溫活化，得到氮摻雜多孔碳材料。和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明制備方法簡(jiǎn)單、環(huán)境友好、便于大規(guī)模生產(chǎn)；氮摻雜多孔碳材料具有高的氮含量，高的比表面積和均一的孔徑分布，在二氧化碳吸附和電化學(xué)領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：韓生;韋煥明;陳靜;藺華林;付寧;陳海軍;韓治亞
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.25
技術(shù)公布日：2017.08.18