一种氮掺杂碳材料的制备方法

摘要

一种氮掺杂碳材料的制备方法，所制备氮掺杂碳材料在储氢、燃料电池、生物传感器及超级电容器等方面具有潜在用途，该方法以蔗糖为碳源，氨水为氮源，经水热碳化和在惰性气氛中煅烧等简单步骤制备氮掺杂碳材料。水热温度160～200℃，氨水浓度高于12％，碳化温度600～900℃。可通过调节水热碳化条件和煅烧温度在17.8％～3.6％范围内控制氮掺杂量。所制备氮掺杂碳材料呈薄片状，片层厚度约200nm，氮原子主要通过类石墨和类吡啶结构掺杂于石墨碳分子网络。

权利要求

1.一种氮掺杂碳材料的制备方法，其步骤为：

(1)取2～5g蔗糖，加40～80mL浓度高于12％的氨水溶解，置于带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中；

(2)将上述(1)中反应釜于温度160～200℃下，加热8～24小时，冷却后过滤，真空干燥，获得前躯体；

(3)将上述(2)中前躯体以5～10℃/min速率升温至600～900℃，保温1～4小时；

(4)将上述(3)中产物自然冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料；

(5)上述(3)和(4)中所述过程是在惰性气氛保护下进行的，气体流量50～100mL/min。

2.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于惰性气氛是氮气。

3.根据权利要求1所述的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于获得的氮掺杂碳材料氮含量为3.6％～17.8％。

说明书

一种氮掺杂碳材料的制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及氮掺杂碳材料的制备方法。

背景技术

[0002] 高温热解含氮前躯体是获得氮掺杂碳材料最便捷的方法之一。同时研究表明氮掺杂量与氮掺杂碳材料的性能有直接的关系。吡啶、咪唑、乙二胺及酞菁等含氮碳水化合物已被用作前躯体高温热解制备氮掺杂碳材料，但受到前躯体中氮含量的制约，所制备的氮掺杂碳材料氮掺杂量均不高，从而影响其最终性能。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种氮掺杂碳材料制备方法。

[0004] 本发明是一种氮掺杂碳材料制备方法，其步骤为：

[0005] (1)取2～5g蔗糖，加40～80mL浓度高于12％的氨水溶解，置于带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中；

[0006] (2)将上述(1)中反应釜于温度160～200℃下，加热8～24小时，冷却后过滤，真空干燥，获得前躯体；

[0007] (3)将上述(2)中前躯体以5～10℃/min速率升温至600～900℃，保温1～4小时；

[0008] (4)将上述(3)中产物自然冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料；

[0009] (5)上述(3)和(4)中所描述过程是在惰性气氛保护下进行的，气体流量50～100mL/min。

[0010] 本发明具有如下优点：

[0011] 1、以蔗糖为碳源，属可再生资源。

[0012] 2、以氨水为氮源，属大宗工业原料，原料易购。

[0013] 3、通过蔗糖和氨水在水热条件下发生氨基化反应制备前躯体。其反应条件温和，无需高温高压等极端条件；所制备前躯体氮含量高；通过调节反应条件，可以获得不同氮含量的前躯体；反应过程不产生对环境有害的废气、废液，绿色环保。

[0014] 4、氮掺杂量易控。可通过控制前躯体制备条件和煅烧温度，获得掺杂量在17.8％-3.6％范围内的氮掺杂碳材料。

附图说明

[0015] 图1是所制备氮掺杂碳材料的SEM图，图2是所制备前躯体和氮掺杂碳材料的N1s XPS图。

具体实施方式

[0016] 本发明是一种氮掺杂碳材料制备方法，其步骤为：

[0017] (1)取2～5g蔗糖，加40～80mL浓度高于12％的氨水溶解，置于带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中；

[0018] (2)将上述(1)中反应釜于温度160～200℃下，加热8～24小时，冷却后过滤，真空干燥，获得前躯体；

[0019] (3)将上述(2)中前躯体以5～10℃/min速率升温至600～900℃，保温1～4小时；

[0020] (4)将上述(3)中产物自然冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料；

[0021] (5)上述(3)和(4)中所描述过程是在惰性气氛保护下进行的，气体流量50～100mL/min。

[0022] 以上所述的惰性气氛是氮气。

[0023] 上述方法获得的氮掺杂碳材料氮含量为3.6％～17.8％。

[0024] 下面用更为具体的实施例进一步展开本发明。

[0025] 取5g蔗糖，溶解于80mL 30％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于200℃下反应24小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量20.5％，如图2所示，氮原子主要通过氨基存在于前躯体中。前躯体在50mL/min氮气流中，以5℃/min速率升温至600℃，保温2小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量17.8％。如图1所示，所获得氮掺杂碳材料呈薄片状，片层厚度约200nm；如图2所示，氮原子主要通过类石墨和类吡啶结构掺杂于石墨碳分子网络。

[0026] 实施例2：

[0027] 取4g蔗糖，溶解于60mL 30％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于200℃下反应16小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量19.6％。前躯体在100mL/min氮气流中，以10℃/min速率升温至800℃，保温1小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量12.7％。

[0028] 实施例3：

[0029] 取3g蔗糖，溶解于60mL 24％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于200℃下反应8小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量17.0％。前躯体在60mL/min氮气流中，以5℃/min速率升温至700℃，保温3小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量14.2％。

[0030] 实施例4：

[0031] 取2g蔗糖，溶解于80mL 24％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于160℃下反应24小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量18.4％。前躯体在80mL/min氮气流中，以10℃/min速率升温至800℃，保温1小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量10.3％。

[0032] 实施例5：

[0033] 取5g蔗糖，溶解于80mL 18％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于160℃下反应16小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量17.8％。前躯体在100mL/min氮气流中，以5℃/min速率升温至700℃，保温4小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量8.4％。

[0034] 实施例6：

[0035] 取4g蔗糖，溶解于40mL 18％氨水，将溶液置于具有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，于160℃下反应8小时，过滤，洗涤，获得前躯体，其氮含量16.4％。前躯体在80mL/min氮气流中，以10℃/min速率升温至900℃，保温2小时，在氮气氛保护下冷却至室温，研磨，即获得氮掺杂碳材料，其氮含量3.6％。

[0036] 本发明以蔗糖为碳源，氨水为氮源，结合水热碳化技术，制备具有高氮含量的前躯体，经煅烧后获得具有高掺杂量的氮掺杂碳材料，并且其掺杂量可通过改变前躯体的制备条件和煅烧温度加以控制。蔗糖和氨水在水热条件下发生氨基化反应，蔗糖分子中的部分羟基被氨基取代，从而形成含有丰富含氮基团的前躯体。在煅烧过程中，这类含氮基团发生分解和重排，从而进入碳分子网络，最终形成氮掺杂碳材料。氮原子主要通过类石墨结构和类吡啶结构分布于碳分子网络中。该法所采用原料均为大宗工农业产品，原料易得，同时具有绿色环保、制备方法简单等优点。所制备的氮掺杂碳材料在贵金属富集、催化和催化剂负载、超级电容器、电化学传感器等领域具有潜在的用途。