一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法技术

本发明专利技术公开了一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法，该方法以生物质废弃物（蔗渣）为碳源，调控KOH与尿素比例，一锅法制备比表面积、孔体积和氮含量可调控的氮掺杂碳材料。将经KOH和尿素浸渍过的蔗渣置于氩气环境的管式炉中高温碳化，收集得到的粉体材料经洗涤和干燥后，得到目标产物（多孔的氮掺杂碳材料）。本发明专利技术通过调节KOH和尿素比例，实现氮掺杂碳材料的比表面积、孔体积与氮含量的有效控制。本发明专利技术操作流程简便、原料价格低廉、且环境友好，所得到的材料比表面积极高（>2000 m

Method for preparing nitrogen doped carbon material with high specific surface area, high pore volume and high nitrogen content by one pot method

The invention discloses a method for preparing nitrogen doped carbon materials with high specific surface area, high pore volume and high nitrogen content, the biomass waste (bagasse) as carbon source, the regulation of KOH and urea ratio, one pot preparation of nitrogen doped carbon materials than the surface area, pore volume and nitrogen content regulation. The bagasse which was impregnated with KOH and urea was placed in a tube furnace in argon environment, and carbonized at high temperature. The obtained powder materials were washed and dried to obtain the target product (porous nitrogen doped carbon material). The invention realizes the effective control of the specific surface area, pore volume and nitrogen content of the nitrogen doped carbon material by regulating the ratio of KOH and urea. The operation of the invention has the advantages of simple process, low price of raw materials, and environmental friendly, the resulting material very high specific surface area (> 2000 m

【技术实现步骤摘要】
一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法
本专利技术属于杂原子掺杂多孔碳材料制备领域，具体涉及一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法。
技术介绍
碳材料具有优异的高导热、价格低廉、导电性优良及理化性能稳定等众多优点，广泛应用于电化学储能和其它领域。在碳材料中引入杂原子(如B、N、P或O等)，可以显著地改善其机械、导电或电化学性能。其中，N元素部分取代C元素，使碳层中石墨微晶平面层产生诸多位错、弯曲、离位等具有不成对电子的缺陷位，同时，氮原子的引入使材料表面具有碱性，可增强材料表面润湿性，提高材料比电容性能。因此，氮掺杂碳材料的新型制备方法近年来得到非常大的关注。为了达到对氮掺杂碳材料中氮含量、比表面积与孔体积/结构的有效调控，研究者们为此进行了大量的工作。M.Zhang等以氮含量较高的蚕丝作为原材料，采用一锅法以KCl为活化剂，将蚕丝于KCl浸渍混合后于氩气环境中热解碳化，从而制得蜂窝状的氮掺杂碳材料(Electrochim.Acta.2016,215,223)，该材料氮含量较高(高达4.7％)，作为非金属的析氢反应催化剂表现出了良好的催化性能。然而，该材料的比表面仅有349.3m2/g，同时，蚕丝作为原材料成本过于高昂不适于规模化制备。Z.G.Liu等使用鱼类废弃物作为原料，采用两步法(先碳化后活化)制备高比表面积(2146m2/g)的氮掺杂多孔碳材料(含氮量为4.7％)，即先将鱼类废弃物在300℃碳化，再将碳化得到的材料与KOH浸渍混合后置于氩气环境中高温活化(J.Environ.Manag.2016,182,446)。然而，该方法使用的氮源来自于生物质，在制备过程中难以对N含量进行有效的控制。另外，该方法采用两步法，操作较复杂，制备得到的氮掺杂碳材料产率较低。因此，寻求一种廉价、绿色且简单可行的制备氮掺杂碳材料的方法，并能有效调控其含氮量、比表面积和孔体积/结构，具有重要的意义。
技术实现思路
本专利技术提供了一种以生物质废弃物(蔗渣)为碳源，调控KOH与尿素比例，一锅法制备比表面积、孔体积和氮含量可调控的氮掺杂碳材料。将经KOH和尿素浸渍过的蔗渣置于氩气环境的管式炉中高温碳化，收集得到的粉体材料经洗涤和干燥后，得到目标产物(多孔的氮掺杂碳材料)。本专利技术通过调节KOH和尿素比例，实现氮掺杂碳材料的比表面积、孔体积和与氮含量的有效控制。本专利技术操作流程简便、原料价格低廉、且环境友好，所得到的材料比表面积极高(>2000m2/g)，微孔孔体积大(>1cm3/g)和氮掺杂含量高(>7％)，是一种极具潜力的新型制备方法。本专利技术具体通过以下技术方案实现。一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：(1)蔗渣、KOH和尿素的浸渍混合：将粉碎的蔗渣、KOH和尿素加入水中，混合均匀，磁力搅拌，再旋转蒸发除去多余的水分，得前驱体混合物，然后移入铜箔中等待煅烧；(2)前驱体混合物热分解：将装有前驱体混合物的铜箔送入管式炉中，通入氩气或氮气保护气体，将前驱体混合物煅烧，然后自然冷却至室温；(3)碳材料的洗涤和干燥：将煅烧得到的碳材料研磨后，移入圆底烧杯中，加入盐酸于圆底烧瓶中，常温下磁力搅拌，抽滤后得到黑色物质，将黑色物质水洗至滤液至中性并真空干燥，得到多孔的氮掺杂碳材料。优选的，步骤(1)所述蔗渣、KOH和尿素的质量比例为1:1:1-1:1:3。进一步优选的，步骤(1)所述蔗渣、KOH和尿素的质量比例为1:1:1、1:1:2或1:1:3。最优选用量为蔗渣(5.0g)、KOH(5.0g)和尿素(5.0、10.0或者15.0g)。优选的，步骤(1)所述水的用量为250mL。优选的，步骤(1)所述磁力搅拌的温度为80℃，时间为3小时。优选的，步骤(1)所述旋转蒸发的温度为75℃。优选的，步骤(2)所述煅烧的升温速率为5℃/min。优选的，步骤(2)所述煅烧的温度为800℃，时间为2小时。优选的，步骤(3)所述盐酸的浓度为4.5mol/L，用量为100mL。优选的，步骤(3)所述磁力搅拌的时间为1小时。优选的，步骤(3)所述真空干燥的温度为50℃。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点和技术效果：(1)本专利技术使用生物质废弃物(蔗渣)这种廉价、绿色和环保的物质为碳源，在水溶液中与KOH及尿素混合后，直接煅烧得到均相多孔的氮掺杂碳材料。(2)本专利技术所制备的氮掺杂碳材料同时具有高比表面积、高孔体积与较高的氮含量。(3)本专利技术可以通过调节原料的比例和煅烧条件，有效调节氮掺杂碳材料的的比表面积、孔体积、孔径和氮含量。(4)本专利技术无需对原料进行预处理，采用一锅法，操作流程简便，原料价格低廉，且环境友好。附图说明图1为实施例1、实施例2和实施例3中采用不同尿素加入量制得的氮掺杂碳材料的氮气吸脱附曲线图(BET)。图2为实施例1、实施例2和实施例3中采用不同尿素加入量制得的氮掺杂碳材料的x-ray粉末衍射图(XRD)。具体实施方式以下通过具体实施例对本专利技术作进一步阐述，但本专利技术的保护范围不限于以下实施例。实施例1(1)称取蔗渣粉末(5.0g)、KOH(5.0g)和尿素(5.0g)，加入装有250mL水的圆底烧瓶中，混合均匀后，于80℃油浴中磁力搅拌3个小时，将得到的混合物于75℃条件下旋转蒸发除去大部分的水分，置于真空干燥箱中干燥后移入磁舟里的铜箔中；(2)将磁舟送入管式炉中，通入氮气保护气体，以5℃/min的升温速率，将混合物升温至800℃并在该温度条件下保温2小时，然后自然冷却到室温；(3)将步骤(2)煅烧得到的材料经研磨后，移入250mL的圆底烧杯中，加入100mL盐酸(4.5mol/L)于圆底烧瓶中，常温下磁力搅拌1小时，抽滤得到黑色物质，再将黑色物质水洗至滤液pH＝7，于50℃的真空干燥箱中干燥过夜后得到目标材料氮掺杂碳材料。实施例2(1)称取蔗渣粉末(5.0g)、KOH(5.0g)和尿素(10.0g)，加入装有250mL水的圆底烧瓶中，混合均匀后，于80℃油浴中磁力搅拌3个小时，将得到的混合物于75℃条件下旋转蒸发除去大部分的水分，置于真空干燥箱中干燥移入磁舟里的铜箔中；(2)将磁舟送入管式炉中，通入氮气保护气体，以5℃/min的升温速率，将混合物升温至800℃并在该温度条件下保温2小时，然后自然冷却到室温；(3)将步骤(2)煅烧得到的材料经研磨后，移入250mL的圆底烧杯中，加入100mL盐酸(4.5mol/L)与圆底烧瓶中，常温下磁力搅拌1小时，抽滤得到黑色物质，再将黑色物质水洗至滤液pH＝7，于50℃的真空干燥箱中干燥过夜后得到目标材料氮掺杂碳材料。实施例3(1)称取蔗渣粉末(5.0g)、KOH(5.0g)和尿素(15.0g)，加入装有250mL水的圆底烧瓶中，混合均匀后，于80℃油浴中磁力搅拌3个小时，将得到的混合物于75℃条件下旋转蒸发除去大部分的水分，置于真空干燥箱中干燥移入磁舟里的铜箔中；(2)将磁舟送入管式炉中，通入氮气保护气体，以5℃/min的升温速率，将混合物升温至800℃并在该温度条件下保温2小时，然后自然冷却到室温；(3)将步骤(2)煅烧得到的材料经研磨后，移入250mL的圆底烧杯中，加入100mL盐酸(4.5mol本文档来自技高网...

【技术保护点】
一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）蔗渣、KOH和尿素的浸渍混合：将粉碎的蔗渣、KOH和尿素加入水中，混合均匀，磁力搅拌，再旋转蒸发除去多余的水分，得前驱体混合物，然后移入铜箔中等待煅烧；（2）前驱体混合物热分解：将装有前驱体混合物的铜箔送入管式炉中，通入氩气或氮气保护气体，将前驱体混合物煅烧，然后自然冷却至室温；（3）碳材料的洗涤和干燥：将煅烧得到的碳材料研磨后，移入圆底烧杯中，加入盐酸于圆底烧瓶中，常温下磁力搅拌，抽滤后得到黑色物质，将黑色物质水洗至滤液至中性并真空干燥，得到多孔的氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一锅法制备高比表面积、高孔体积和高氮含量的氮掺杂碳材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）蔗渣、KOH和尿素的浸渍混合：将粉碎的蔗渣、KOH和尿素加入水中，混合均匀，磁力搅拌，再旋转蒸发除去多余的水分，得前驱体混合物，然后移入铜箔中等待煅烧；（2）前驱体混合物热分解：将装有前驱体混合物的铜箔送入管式炉中，通入氩气或氮气保护气体，将前驱体混合物煅烧，然后自然冷却至室温；（3）碳材料的洗涤和干燥：将煅烧得到的碳材料研磨后，移入圆底烧杯中，加入盐酸于圆底烧瓶中，常温下磁力搅拌，抽滤后得到黑色物质，将黑色物质水洗至滤液至中性并真空干燥，得到多孔的氮掺杂碳材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤（1）所述蔗渣、KOH和尿素的质量比例为1:1:1-1:1:3。3.根据权利要求1所述的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓远富，邹凯翔，刘玉洁，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44