杂原子掺杂碳材料及其制备方法技术

本发明专利技术是关于一种杂原子掺杂碳材料及其制备方法，其包括以下步骤：将碳材料放置在等离子体反应器中，并通入气体，在放电功率为20‑1000W的条件下进行等离子体处理，使气体中的原子掺杂到碳材料中，得到杂原子掺杂碳材料。本发明专利技术的制备方法利用等离子体制备杂原子掺杂碳材料，其能耗低、效率高、没有二次污染；本发明专利技术的制备方法操作简单，制备周期短；本发明专利技术的制备方法不使用酸碱溶液及有机物，对环境危害小；本发明专利技术的制备方法可以将N、S、O、H等多种原子掺杂到碳材料中；本发明专利技术以木炭、竹炭、煤炭、石墨烯、富勒烯、石油焦炭、炭黑等为原料，可以制备出多种杂原子掺杂碳材料，且原料来源广泛，成本低廉。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳材料，特别是涉及一种杂原子掺杂碳材料其制备方法。
技术介绍
由于碳元素特殊的成键性质使碳材料广泛应用于各个领域。对碳材料进行杂原子掺杂改性是现在比较热门的研究课题，目前已有多种杂原子掺杂的碳材料用于催化、电池等多个领域，在将杂原子掺杂在碳材料中，可以极大地改变碳材料性能，如改变其表面结构、改善其电子传输速率、调变其孔道结构、增强其亲水性、增大其比表面积等，从而扩大其在各领域的应用范围。现有技术提出一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，该制备方法依次将只含有卤素的有机高分子、含有杂原子的有机物和碳化钙分散在强极性溶剂中，于160-200℃环境进行预混和碳化12-36h，得到固体产物，再将该固体产物在惰性气氛下于700-900℃进行高温焙烧1-3h，将焙烧后的产物用稀盐酸洗涤，再用去离子水或乙醇清洗3-4次，干燥，得到杂原子掺杂碳材料，所掺杂的杂原子为N、S、B或P。该制备方法操作复杂、反应周期长，且采用了多种有机物及盐酸，对环境会产生污染；除此之外，该方只能将法N、S、B或P掺杂到碳材料中，不能掺杂其他非金属元素。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于，提供一种新型杂原子掺杂碳材料及其制备方法，所要解决的技术问题是使其制备方法简单，从而更加适于实用。本专利技术的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本专利技术提出的一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，其包括以下步骤：将碳材料放置在等离子体反应器中，并通入气体，在放电功率为20-1000W的条件下进行等离子体处理，使气体中的原子掺杂到碳材料中，得到杂原子掺杂碳材料。本专利技术的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的碳材料的厚度为5-30mm。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的碳材料为木炭、竹炭、煤炭、石墨烯、富勒烯、石油焦炭、炭黑中的一种。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的等离子体反应器为密闭的等离子体反应器，通入气体后，气体不泄露。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的气体为O2、CO2、N2、NH3、NO、H2S、SO2、H2中的一种。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的气体的流量为5-50mL/min。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的等离子体处理的时间为10～300min。优选的，前述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其中所述的杂原子掺杂碳材料的比表面积为100-1500m2/g。本专利技术的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本专利技术提出的一种杂原子掺杂碳材料，由权利要求1-8任一项所述的方法制备而成；其比表面积为100-1500m2/g。借由上述技术方案，本专利技术杂原子掺杂碳材料及其制备方法至少具有下列优点：1、本专利技术的制备方法利用等离子体制备杂原子掺杂碳材料，其能耗低、效率高、没有二次污染。2、本专利技术的制备方法操作简单，制备周期短。3、本专利技术的制备方法不使用酸碱溶液及有机物，对环境危害小。4、本专利技术的制备方法可以将N、S、O、H等多种原子掺杂到碳材料中。5、本专利技术的方法可以对多种炭原料进行杂原子掺杂，从而具有广泛的应用领域。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合附图详细说明如后。附图说明图1是实施例1的氧原子掺杂石墨烯材料的XPS图。图2是实施例4氮原子掺杂竹炭材料的XPS图。具体实施方式为更进一步阐述本专利技术为达成预定专利技术目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本专利技术提出的杂原子掺杂碳材料及其制备方法其具体实施方式、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征或特点可由任何合适形式组合。本专利技术的实施例提出一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，其包括以下步骤：将碳材料放置在等离子体反应器中，并通入气体，在放电功率为20-1000W的条件下进行等离子体处理，使气体中的原子掺杂到碳材料中，得到杂原子掺杂碳材料。其中，等离子体技术在产生等离子体的过程中，高频放电所产生的瞬间高能足够打开气体分子的化学能，使气体分解为原子，与碳材料发生化学反应，最终生成含有指定官能团的碳材料，当放电频率低于20W，其产生的能量不足以使气体分子的化学键断裂，无法使其掺杂到碳材料中。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中的碳材料的厚度为5-30mm；如果碳材料过厚则不能使杂原子很好的掺杂到碳材料中。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中的碳材料为木炭、竹炭、煤炭、石墨烯、富勒烯、石油焦炭、炭黑中的一种；木炭、竹炭、煤炭、石墨烯、富勒烯、石油焦炭、炭黑为原料，其来源广泛，成本低廉。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中等离子体反应器为密闭的等离子体反应器，通入气体后，气体不泄露。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中的气体为O2、CO2、N2、NH3、NO、H2S、SO2、H2中的一种。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中的气体的流量为5-50mL/min。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中等离子体处理的时间为10～300min；其中等离子体处理时间过短，掺杂到碳材料中的杂原子含量过低，等离子体处理300min，杂原子的掺杂量基本达到饱和。作为上述实施例的优选，杂原子掺杂碳材料的制备方法中制备的原子掺杂碳材料的比表面积为100-1500m2/g本专利技术的另一个实施例还提出一种杂原子掺杂碳材料，其由本专利技术的制备方法制备而成；其比表面积为100-1500m2/g。实施例1将厚度为5mm的0.5g石墨烯放置在等离子体反应器中，并通入CO2，其中CO2的流量为25ml/min，在放电功率为20W的条件下进行等离子体处理10min，使CO2中的氧原子掺杂到石墨烯中，得到氧原子掺杂石墨烯材料。氧原子掺杂石墨烯材料的XPS图如图1所示，图1中氧的1s特征峰证明氧原子掺杂到了石墨烯中。氧原子掺杂石墨烯材料的比表面积为352m2/g，氧含量为5.6wt.％。实施例2将厚度为5mm的0.5g竹炭放置在等离子体反应器中，并通入CO2，其中CO2的流量为5ml/min，在放电功率为20W的条件下进行等离子体处理300min，使CO2中的氧原子掺杂到石墨烯中，得到氧原子掺杂石墨烯材料。氧原子掺杂石墨烯材料的比表面积为356m2/g，氧含量为31.6wt.％。实施例3将厚度为5mm的0.5g石墨烯放置在等离子体反应器中，并通入CO2，其中CO2的流量为5ml/min，在放电功率为20W的条件下进行等离子体处理120min，使CO2中的氧原子掺杂到石墨烯中，得到氧原子掺杂石墨烯材料。氧原子掺杂石墨烯材料的比表面积为353.5m2/g，氧含量为25.6wt.％。实施例4将厚度为20mm的0.5g竹炭放置在等离子体反应器中，并通入NH3，其中NH3的流量为50ml/min，在放电功率为30W的条件下进行等离子体处理120min，使NH3中的氮原子掺杂到竹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：将碳材料放置在等离子体反应器中，并通入气体，在放电功率为20‑1000W的条件下进行等离子体处理，使气体中的原子掺杂到碳材料中，得到杂原子掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：其包括以下步骤：将碳材料放置在等离子体反应器中，并通入气体，在放电功率为20-1000W的条件下进行等离子体处理，使气体中的原子掺杂到碳材料中，得到杂原子掺杂碳材料。2.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述的碳材料的厚度为5-30mm。3.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述的碳材料为木炭、竹炭、煤炭、石墨烯、富勒烯、石油焦炭、炭黑中的一种。4.根据权利要求1所述的杂原子掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：代斌，祁佩荣，张博雅，于锋，
申请(专利权)人：石河子大学，
类型：发明
国别省市：新疆;65