一種氮、磷共摻雜多孔碳材料及其制備方法技術

本發明專利技術公開了一種氮、磷共摻雜多孔碳材料及其制備方法。本發明專利技術的方法具體步驟如下：首先將含氮聚合物與磷酸鹽按比例溶于酸性溶液中，攪拌，然后將其減壓蒸餾蒸干；最后將樣品在惰性氣氛下進行高溫碳化，得到高含量氮、磷共摻雜多孔碳材料。本發明專利技術方法環境友好、制備方法簡單，便于大規模生產。本發明專利技術制備的氮、磷共摻雜多孔碳材料含氮量與含磷量高，具有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領域具有良好的應用前景。

Nitrogen and phosphorus Co doped porous carbon material and preparation method thereof

The invention discloses a nitrogen and phosphorus Co doped porous carbon material and a preparation method thereof. The method of the invention the specific steps are as follows: first the polymer containing nitrogen and phosphate in proportion to dissolve in acid solution, stirring, and then the vacuum distillation drying; finally the samples were carbonized at high temperature under inert atmosphere, have high content of nitrogen and phosphorus doped porous carbon materials. The method of the invention has friendly environment and simple preparation method, and is convenient for large-scale production. The nitrogen and phosphorus Co doped porous carbon material prepared by the invention has high nitrogen content and high phosphorus content, has high specific surface area and uniform pore size distribution, and has a good application prospect in the field of carbon dioxide adsorption and electrochemistry.

【技術實現步驟摘要】
一種氮、磷共摻雜多孔碳材料及其制備方法
本專利技術屬于納米材料
，涉及一種多孔碳及其制備方法，具體來說是一種氮、磷共摻雜多孔碳材料及其制備方法。
技術介紹
多孔碳材料由于具有的獨特性質，合成原料豐富且容易獲取，因此在現代科學中存在普遍的應用。多孔碳材料是指以碳作為基本骨架，并具有不同孔隙結構的一類材料。多孔碳材料具有化學穩定性高、耐酸堿、耐高溫、導電、導熱等一系列特點，這類材料通常具有發達的孔隙、高的比表面積、高的化學穩定性、優良的耐熱、耐酸堿及獨特的電子傳導性質，是現代工業中不可缺少的重要材料之一，廣泛應用于電極材料(如燃料電池、超級電容器等)、吸附材料、儲能材料和催化劑載體等。近年來，為了進一步改善多孔碳材料在這些方面的應用，通常將雜原子(例如N、P、B、S等)或含雜原子的基團(氨基，硝基，磺酸基等)摻雜到多孔碳材料的表面或結構中，使多孔碳材料的各方面的性能得到改進和提高。在眾多的摻雜組分當中，氮與磷是最受研究者們青睞的兩種元素。氮元素與磷元素進入到多孔碳材料的內部結構形成的氮、磷摻雜多孔碳材料，除了具有多孔碳材料的所有優點外，以其獨特的機械、電子、光學、半導體、儲能性質、適宜的堿性等特點，在超硬材料、吸附、催化和燃料電池等方面的應用范圍進一步擴大。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體。最常用的含氮前驅體包括胺基糖類、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化學試劑，價格相對昂貴；去除模板過程需要用到氫氟酸等強腐蝕劑，過程繁瑣復雜且環境不友好，不適用于工業應用。因此，如何簡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。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術的目的是提供一種環境友好、制備方法簡單，便于大規模生產，高含量氮、磷共摻雜多孔碳材料及其制備方法。本專利技術的技術方案具體介紹如下。本專利技術提供一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，具體步驟如下：(1))首先將含氮聚合物與磷酸鹽按比例溶于酸性溶液中，攪拌，然后減壓蒸出溶劑，得到前驅體；(2)將前驅體在惰性氣氛下，在600-800℃的溫度進行高溫碳化；(3)將碳化后樣品依次用酸性溶液和水洗滌、最后干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。上述步驟(1)中，含氮聚合物和磷酸鹽的質量比為1：1～1：5。上述步驟(1)中，含氮聚合物為聚4-乙烯基吡啶，磷酸鹽為磷酸鉀。上述步驟(1)中，攪拌時間為4～7小時。上述步驟(2)中，碳化時間為1～3小時。上述步驟(1)中的酸性溶液為0.1～0.5mol/L的鹽酸；步驟(3)中的酸性溶液為1～1.5mol/L的鹽酸。本專利技術還提供一種上述的制備方法得到的氮、磷共摻雜多孔碳材料。本專利技術中，材料的比表面積在700～810m2/g之間，材料中的氮的質量含量為4～10％，磷的質量含量為3～8％。和現有技術相比，本專利技術具有以下優點和有益效果：1、本專利技術通過高溫碳化的方法制備氮、磷摻雜多孔碳材料，碳化和活化過程同時完成，活化過程中，造孔和氮、磷摻雜同時進行，一步完成，方法簡便。2、本專利技術的方法制備出的多孔碳材料具有高的比表面積，孔徑分布均一，呈現典型的微孔特征，并具有高含氮、磷量，在吸附、超級電容器、催化和燃料電池等領域具有廣泛的應用前景。比如在超級電容器方面。眾多研究表明含氮官能團不僅可以發生法拉第氧化還原反應，從而引入贗電容，提高碳材料的容量，還可以改善碳材料的親水性，從而提高碳材料比表面積的利用率，增強雙電層電容。含磷官能團富含氧原子，因此，我們認為含磷官能團主要是起到改善碳材料親水性的作用，而且這種作用是十分明顯的，可以大大增強碳材料的雙電層電容。附圖說明圖1是實施例1得到氮、磷共摻雜多孔碳材料的SEM圖。圖2是實施例1得到氮、磷共摻雜多孔碳材料的氮氣吸附-脫附曲線圖。圖3是實施例1得到氮、磷共摻雜多孔碳材料的平均孔徑分布圖。具體實施方式下面的實施例可以使本專業技術人員更全面地理解本專利技術，但不以任何形式限制本專利技術。實施例1一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：首先將聚4-乙烯吡啶與磷酸鉀按1:1比例(質量比)溶于0.1mol/L稀鹽酸溶液中，攪拌4小時，然后減壓蒸餾把溶劑蒸干，在氮氣氣氛保護下，600℃下活化2小時，自然冷卻后，在1mol/L的鹽酸溶液中洗滌48小時，再用去離子水洗滌pH至中性，干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。氮、磷共摻雜多孔碳材料的比表面積為801m2/g，孔徑分布均一，氮、磷含量分別為8.2％和7.3％。如圖所示，圖1實施例1得到的氮、磷共摻雜多孔碳材料的SEM。圖2是實施例1得到的氮、磷共摻雜多孔碳材料的氮氣吸脫附曲線，可以看出此曲線為典型的Ⅲ型等溫線，該材料的比表面積達到801m2/g。圖3是實施例1得到的氮、磷共摻雜多孔碳材料的孔徑分布曲線，從圖可以看出，該材料孔結構包含微孔、介孔，孔徑主要分布在0.2-9nm之間。實施例2一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：首先將聚4-乙烯吡啶與磷酸鉀按1:3比例(質量比)溶于0.1mol/L稀鹽酸溶液中，攪拌4小時，然后減壓蒸餾把溶劑蒸干，在氮氣氣氛保護下，700℃下活化2小時，自然冷卻后，在1mol/L的鹽酸溶液中洗滌48小時，再用去離子水洗滌pH至中性，干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。氮、磷共摻雜多孔碳材料的比表面積為742m2/g，孔徑分布均一，氮、磷含量分別為6.3％和5.1％。實施例3一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：首先將聚4-乙烯吡啶與磷酸鉀按1:5比例(質量比)溶于0.1mol/L稀鹽酸溶液中，攪拌4小時，然后減壓蒸餾把溶劑蒸干，在氮氣氣氛保護下，800℃下活化2小時，自然冷卻后，在1mol/L的鹽酸溶液中洗滌48小時，再用去離子水洗滌pH至中性，干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。氮、磷共摻雜多孔碳材料的比表面積為701m2/g，孔徑分布均一，氮、磷含量分別為4.1％和3.6％。實施例4一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：首先將聚4-乙烯吡啶與磷酸鉀按1:1比例(質量比)溶于0.1mol/L稀鹽酸溶液中，攪拌4小時，然后減壓蒸餾把溶劑蒸干，在氮氣氣氛保護下，600℃下活化2小時，自然冷卻后，在1mol/L的鹽酸溶液中洗滌48小時，再用去離子水洗滌pH至中性，干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。氮、磷共摻雜多孔碳材料的比表面積為732m2/g，孔徑分布均一，氮、磷含量分別為9.2％和8.0％。實施例5一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：首先將聚4-乙烯吡啶與磷酸鉀按1:1比例(質量比)溶于0.1mol/L稀鹽酸溶液中，攪拌4小時，然后減壓蒸餾把溶劑蒸干，在氮氣氣氛保護下，700℃下活化2小時，自然冷卻后，在1mol/L的鹽酸溶液中洗滌48小時，再用去離子水洗滌pH至中性，干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。氮、磷共摻雜多孔碳材料的比表面積為783m2/g，孔徑分布均一，氮、磷含量分別為8.6％和7.7％。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：(1)首先將含氮聚合物與磷酸鹽按比例溶于酸性溶液中，攪拌，然后減壓蒸出溶劑，得到前驅體；(2)將前驅體在惰性氣氛下，在600?800℃的溫度進行高溫碳化；(3)將碳化后樣品依次用酸性溶液和水洗滌，最后干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。

【技術特征摘要】
1.一種氮、磷共摻雜多孔碳材料的制備方法，其特征在于，具體步驟如下：(1)首先將含氮聚合物與磷酸鹽按比例溶于酸性溶液中，攪拌，然后減壓蒸出溶劑，得到前驅體；(2)將前驅體在惰性氣氛下，在600-800℃的溫度進行高溫碳化；(3)將碳化后樣品依次用酸性溶液和水洗滌，最后干燥得到氮、磷共摻雜多孔碳材料。2.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，含氮聚合物和磷酸鹽的質量比為1：1～1：5。3.根據權利要求1所述的制備方法，其特征在于，步驟(1)中，含氮聚合物為聚4-乙烯基吡啶，磷酸鹽為磷酸鉀。4.根據權利要求1所述...

【專利技術屬性】
技術研發人員：韓生，陳靜，韋煥明，王愛民，藺華林，劉金寶，付寧，江新澤，蘭國賢，何忠義，熊麗萍，
申請(專利權)人：上海應用技術大學，
類型：發明
國別省市：上海,31