一種氮摻雜有序介孔碳材料及其制備方法技術

本發明專利技術屬于介孔材料領域，公開了一種氮摻雜有序介孔碳材料及其制備方法。所述制備方法為：將濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻后，加入硅基介孔材料SBA?15得到乳白色懸浮液A；然后將A在90～100℃干燥，再升溫至150～170℃進行碳化得到固體B；將固體B研磨成粉末狀后再次加入濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻，重復干燥和碳化過程，然后在900～1000℃焙燒得到固體C；將固體C脫除SBA?15模板，得到有序介孔碳，然后將其與氮源研磨混合均勻，在900～1000℃焙燒3～6h，得到產物。本發明專利技術的方法不僅可以避免在真空條件下焙燒，而且能夠有效簡化操作程序并大幅度降低材料的制備成本。

Nitrogen doped ordered mesoporous carbon material and preparation method thereof

The invention belongs to the field of mesoporous materials, and discloses a nitrogen doped ordered mesoporous carbon material and a preparation method thereof. The preparation method is as follows: the concentrated sulfuric acid, mixed sucrose and deionized water evenly, adding SBA silica based mesoporous materials obtained 15 milky white suspension A; then A at 90 to 100 DEG C and then drying, heating to 150 to 170 DEG C to obtain solid carbide B; solid B grinding into powder like again after adding concentrated sulfuric acid, mixed sucrose and deionized water evenly, repeated drying and carbonization process, and then in the 900 to 1000 DEG C calcined solid C; solid C SBA removal 15 template to obtain an ordered mesoporous carbon, and the nitrogen source and grinding mixing at 900 ~ 1000 C ~ 3 roasting 6h, get the product. The method of the invention can not only avoid roasting under the vacuum condition, but also can effectively simplify the operation procedure and greatly reduce the preparation cost of the material.

【技術實現步驟摘要】
一種氮摻雜有序介孔碳材料及其制備方法
本專利技術屬于介孔材料領域，具體涉及一種氮摻雜有序介孔碳材料及其制備方法。
技術介紹
有序介孔碳(Orderedmesoporouscarbon，OMC)作為一種新型導電載體被廣泛用于氧還原反應催化劑的研究中。OMC載體具有高表面積、孔容大、孔徑分布集中和良好的孔道穩定性等優點，利于反應物和生成物的分子轉移，在燃料電池的應用中能夠有效提高電化學的催化活性。此外，隨著對非金屬雜原子認識的不斷深入，將一些非金屬元素，如氮、硼、磷以及氟等摻雜到OMC的介孔孔道內，應運而生的諸多非金屬雜原子摻雜碳材料已有望取代價格昂貴的鉑催化劑。有序介孔碳主要通過有序介孔硅硬模板方法制備。這種方法通常選用具有特殊空隙的介孔硅材料，如SBA-15(一種硅基介孔材料，以SantaBarbaraAmorphousNo.15命名)作為硬模板，與蔗糖進行混合后，使碳在模板材料的孔道中發生反應，然后高溫焙燒并除去模板，得到介孔碳材料。以往的焙燒均在真空爐中進行，這樣勢必提高了設備成本。此外，在以往的研究中一般采用氨氣(AppliedSurfaceScience393(2017)144-150)、濃硝酸(AppliedCatalysisB:Environmental147(2014)633-641)、吡咯(Nanoscale,8(2016)19086-19092)或酞菁(JournalofPowerSources293(2015)511-518；JournalofPowerSources264(2014)114-122)等作為氮的前驅體，這些氮源或者腐蝕性大，或者價格昂貴、來源稀少，雖然合成的含氮介孔碳材料能夠用于燃料電池中，但是高昂的催化劑成本不利于其大規模應用。因此，尋找一種具有工藝簡單、操作方便、價格低廉等優點的氮摻雜介孔碳材料的制備方法已成為該領域的研究熱點。
技術實現思路
為了解決以上現有技術的缺點和不足之處，本專利技術的首要目的在于提供一種氮摻雜有序介孔碳材料的制備方法。該方法不僅可以避免在真空條件下焙燒，又能夠有效簡化操作程序，并大幅度降低材料的制備成本。本專利技術的另一目的在于提供一種通過上述方法制備得到的氮摻雜有序介孔碳材料。本專利技術目的通過以下技術方案實現：一種氮摻雜有序介孔碳材料的制備方法，包括以下制備步驟：(1)將濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻后，加入硅基介孔材料SBA-15(作為硬模板)，得到乳白色懸浮液A；(2)將A在90～100℃進行干燥6～8小時后，再升溫至150～170℃進行碳化5～7小時，得到固體B；(3)將固體B研磨成粉末狀后再次加入濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙燒3～6小時，得到固體C；(4)將固體C在氫氧化鈉的乙醇水溶液中加熱回流脫除SBA-15模板，所得固體產物經洗滌、干燥，得到固體D；(5)將固體D與氮源研磨混合均勻，在900～1000℃焙燒3～6小時，得到氮摻雜有序介孔碳材料。優選地，步驟(3)和步驟(5)中所述的焙燒氣氛為氮氣氛圍。優選地，步驟(4)中所述氫氧化鈉的乙醇水溶液是指1～2mol/LNaOH的乙醇水溶液。優選地，步驟(5)中所述的氮源為三聚氰胺，所述三聚氰胺與固體D的質量比為(2～70):1。一種氮摻雜有序介孔碳材料，通過上述方法制備得到，所述氮摻雜有序介孔碳材料的孔容為10.5～11.5cm3/g，孔徑為3.70～3.90nm，比表面積為970～1250m2/g。本專利技術的制備方法及所得到的產物具有如下優點及有益效果：(1)本專利技術采用在氮氣氛圍中高溫焙燒出有序度高的介孔碳材料；(2)本專利技術采用三聚氰胺為氮源，其原料價格低廉，方便易得；(3)本專利技術引入氮元素的操作方法簡單，無需真空設備；(4)本專利技術所得產物具有規則的孔道結構，引入的氮元素在高溫焙燒過程中可以有序進入到介孔碳材料的孔道中；(5)本專利技術的制備方法由于氮源在與介孔碳同時進行高溫焙燒，因此可以確保在不破壞介孔碳材料規整結構的前提下，最大含量地添加氮元素。附圖說明圖1為本專利技術實施例3、實施例5和實施例6所得氮摻雜有序介孔碳材料的透射電子顯微鏡譜圖。具體實施方式下面結合實施例及附圖對本專利技術作進一步詳細的描述，但本專利技術的實施方式不限于此。實施例1本實施例的一種氮摻雜有序介孔碳材料N2-OMC的制備(2為三聚氰胺和OMC的質量比)：稱取0.14g濃硫酸、1.25g蔗糖和5g去離子水，混合均勻后加入1gSBA-15硅基固體得到乳白色懸浮液，然后將乳白色懸浮液置于鼓風干燥箱中，在90℃下干燥7小時，再升溫至160℃碳化6小時。取出棕褐色固體研磨成粉末狀，向其中加入0.09g濃硫酸、0.8g蔗糖和5g去離子水后，重復上述干燥及碳化操作。將碳化后的產物在管式爐中氮氣氣氛下升溫至900℃進行5小時的高溫焙燒。然后用含2mol/LNaOH的乙醇水溶液(乙醇:水＝1:1，體積比)加熱回流4小時脫除模板劑SBA-15，此操作在100℃的油浴中進行，并重復兩次。將所得固體用去離子水和乙醇溶液充分洗滌后，放入鼓風干燥箱中，在120℃干燥2小時，得到有序介孔碳(OMC)。稱取0.2g三聚氰胺和0.1gOMC在研缽中研磨3小時使其混合均勻，再將固體混合物放入管式爐中在氮氣氛圍中900℃焙燒5小時，得到氮摻雜OMC有序介孔碳材料N2-OMC。本實例所合成N2-OMC的孔容為11.08cm3/g，孔徑為3.90nm，比表面積為1230m2/g。實施例2本實施例的一種氮摻雜有序介孔碳材料N5-OMC的制備(5為三聚氰胺和OMC的質量比)：稱取0.14g濃硫酸、1.25g蔗糖和5g去離子水，混合均勻后加入1gSBA-15硅基固體得到乳白色懸浮液，然后將乳白色懸浮液置于鼓風干燥箱中，在100℃下干燥6小時，再升溫至170℃碳化5小時。取出棕褐色固體研磨成粉末狀，向其中加入0.09g濃硫酸、0.8g蔗糖和5g去離子水后，重復上述干燥及碳化操作。將碳化后的產物在管式爐中氮氣氣氛下升溫至1000℃進行3小時的高溫焙燒。然后用含2mol/LNaOH的乙醇水溶液(乙醇:水＝1:1，體積比)加熱回流4小時脫除模板劑SBA-15，此操作在100℃的油浴中進行，并重復兩次。將所得固體用去離子水和乙醇溶液充分洗滌后，放入鼓風干燥箱中，在120℃干燥2小時，得到有序介孔碳(OMC)。稱取0.5g三聚氰胺和0.1gOMC在研缽中研磨3小時使其混合均勻，再將固體混合物放入管式爐中在氮氣氛圍中1000℃焙燒3小時，得到氮摻雜OMC有序介孔碳材料N5-OMC。本實例所合成N5-OMC的孔容為11.20cm3/g，孔徑為3.75nm，比表面積為992m2/g。實施例3本實施例的一種氮摻雜有序介孔碳材料N10-OMC的制備(10為三聚氰胺和OMC的質量比)：稱取0.14g濃硫酸、1.25g蔗糖和5g去離子水，混合均勻后加入1gSBA-15硅基固體得到乳白色懸浮液，然后將乳白色懸浮液置于鼓風干燥箱中，在100℃下干燥7小時，再升溫至150℃碳化8小時。取出棕褐色固體研磨成粉末狀，向其中加入0.09g濃硫酸、0.8g蔗糖和5g去離子水后，重復上述干燥及碳化操作。將碳化后的產物在管式爐中氮氣本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氮摻雜有序介孔碳材料的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟：(1)將濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻后，加入硅基介孔材料SBA?15，得到乳白色懸浮液A；(2)將A在90～100℃進行干燥6～8小時后，再升溫至150～170℃進行碳化5～7小時，得到固體B；(3)將固體B研磨成粉末狀后再次加入濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙燒3～6小時，得到固體C；(4)將固體C在氫氧化鈉的乙醇水溶液中加熱回流脫除SBA?15模板，所得固體產物經洗滌、干燥，得到固體D；(5)將固體D與氮源研磨混合均勻，在900～1000℃焙燒3～6小時，得到氮摻雜有序介孔碳材料。

【技術特征摘要】
1.一種氮摻雜有序介孔碳材料的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟：(1)將濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻后，加入硅基介孔材料SBA-15，得到乳白色懸浮液A；(2)將A在90～100℃進行干燥6～8小時后，再升溫至150～170℃進行碳化5～7小時，得到固體B；(3)將固體B研磨成粉末狀后再次加入濃硫酸、蔗糖和去離子水混合均勻，再次于90～100℃干燥和150～170℃碳化，然后在900～1000℃焙燒3～6小時，得到固體C；(4)將固體C在氫氧化鈉的乙醇水溶液中加熱回流脫除SBA-15模板，所得固體產物經洗滌、干燥，得到固體D；(5)將固體D與氮源研磨混合均勻，在900～1000℃焙燒3～6小時，得到氮摻雜有序介孔碳材料。2.根據權利要求1所述的一種氮摻雜...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王秀軍，黃偉豪，何珍珍，李白滔，
申請(專利權)人：華南理工大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44