一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料(包括氮掺杂的多孔石墨化碳)，以及杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中的氮化钒；其中，按重量份计，各组分的含量为：氮掺杂的多孔石墨化碳100份、氮化钒0.1‑400份、氮在氮掺杂的多孔石墨化碳中的掺杂量为0.01‑55atom％。该多孔碳材料中，氮化钒在多孔碳上均匀分布、不易团聚，且该多孔碳材料具有高的比表面积。本发明专利技术还公开了该多孔碳复合材料的制备方法。

【技术实现步骤摘要】
一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及先进碳材料制备领域。更具体地，涉及一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用。
技术介绍
碳材料因其优异的物化性能一直都是多学科及交叉领域研究重点，在各种电极材料(包括锂离子电池和燃料电池)中具有广泛的应用。其中多孔碳材料是一种孔道物理结构、表面化学性质可调的功能型碳材料。多孔碳材料具有孔隙发达、传输通道多、比表面积大、密度低、机械强度高、化学稳定性好、导电性好、来源广泛和成本低廉等优势，因此，其多研究应用在光电储能、环境吸附、医药传输、催化反应等领域。但是，碳材料表面的非极性特征限制了其在以上应用中性能的发挥。为改善碳材料的结构和表面性质，越来越多的学者已着眼于孔结构协调和化学改性上，杂原子掺杂修饰和金属化合物的附着杂化的方法赋予多孔碳材料更丰富的潜在功能应用。杂原子中N原子掺杂最为常见有效，从分子结构上将N原子引入碳骨架中或者含氮官能团引入边缘位置，使得物理和化学性质改变。含孤对电子的N掺杂相应的提高了材料整体的导电性，增加了缺陷位、反应活性以及碱性，并且含氮官能团的存在使多孔碳材料的吸附性能和反应性提高。为得到较高的N掺杂量，往往利用的是原位掺杂的方法。金属化合物有着复杂的晶格结构以及金属-非金属键特性，因而具有优良的等物理性质和高化学反应性。金属化合物包括主族金属和过渡金属化合物，过渡金属元素具有价电子和配位数高的特征而更具优势，过渡金属化合物分为过渡氮化钒、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物、过渡金属氟化物、过渡金属氯化物等，其中过渡氮化钒因出色的导电性引发广泛关注。例如，专利CN107610938A公开了一种过渡氮化钒/氮掺杂石墨烯纳米复合材料、其制备方法及应用。该制备方法的步骤包括(1)将氰胺类模板前驱体、碳源、金属源在球磨机下一定转速混合均匀；(2)将混合物料在惰性气氛中分两段煅烧，得到过渡氮化钒/氮掺杂石墨烯纳米复合材料。该专利是利用模板法原位制备而成，但对固相煅烧对混合均匀程度要求苛刻。此外，文献中也报道了多种碳材料/氮化钒的制备方法，包括Nanoscale2019,11,11542；AppliedSurfaceScience2019,466,982；NanoscaleResearchLetters2019,14,249等。因此，需要提供一种新的氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的第一个目的在于提供一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料。该多孔碳材料中氮化钒在多孔碳上均匀分布、不易团聚，且该多孔碳材料比表面积大。本专利技术的第二个目的在于提供一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料的制备方法。本专利技术的第三个目的在于提供一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料的应用。为达到上述第一个目的，本专利技术采用下述技术方案：一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料，包括氮掺杂的多孔石墨化碳，以及杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中的氮化钒；其中，按重量份计，各组分的含量为：氮掺杂的多孔石墨化碳100份、氮化钒0.1-400份、氮在氮掺杂的多孔石墨化碳中的掺杂量为0.01-55atom％。进一步地，所述氮化钒均匀地分布在所述氮掺杂的多孔石墨化碳上。进一步地，100份的所述氮掺杂的多孔石墨化碳中，包含1-55份氮。进一步地，所述多孔碳材料由下列重量份数原料制备得到：碳源100份；氮源1-1000份；造孔剂100-2000份；钒前驱体5-2000份；去离子水1000-5000份。进一步地，所述碳源选自甘油醛D-甘油醛、L-甘油醛、赤藓糖、D-赤藓糖、L-赤藓糖、苏力糖、D-苏力糖、L-苏力糖、阿拉伯糖、D-阿拉伯糖、L-阿拉伯糖、核糖、D-核糖、L-核糖、脱氧核糖、2-脱氧-D-核糖、2-脱氧-L-核糖、木糖、D-木糖、L-木糖、来苏糖、D-来苏糖、L-来苏糖、葡萄糖、D-葡萄糖、L-葡萄糖、脱氧葡萄糖、2-脱氧-D-葡萄糖、2-脱氧-L-葡萄糖、甘露糖、D-甘露糖、L-甘露糖、果糖、D-果糖、L-果糖、半乳糖、D-半乳糖、L-半乳糖、D-甘露[型]庚酮糖、葡萄糖醇、D-葡萄糖醇、L-葡萄糖醇、葡萄糖酸、D-葡萄糖酸、L-葡萄糖酸、D-葡萄糖酸--内酯、D-葡萄糖酸--内酯、葡萄糖酸钙、D-葡萄糖酸钙、L-葡萄糖酸钙、乳糖、D-乳糖、L-乳糖、蔗糖、D-蔗糖、L-蔗糖、麦芽糖、D-麦芽糖、L-麦芽糖、淀粉、肝糖、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。进一步地，所述氮源选自吡唑、咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、组织胺、1H-1,2,3-三氮唑、1,2,4-三氮唑、噻唑、吡啶、联吡啶、哒嗪、嘧嗪、吡嗪、1,2,3-三嗪、1,3,5-三嗪、1,3,4-三嗪、尿素、三聚氰胺、硫脲、对氨基苯、均三氨基苯、精胺、嘌呤、腺嘌呤、鸟嘌呤、嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶、1-甲基鸟嘌呤、2-甲基鸟嘌呤、3-甲基鸟嘌呤、6-甲基鸟嘌呤7-甲基鸟嘌呤、N-二甲基鸟嘌呤、N,9-二乙酰鸟嘌呤、N-乙酰鸟嘌呤、二乙酰鸟嘌呤、2,9-二乙酰鸟嘌呤、双乙酰鸟嘌呤、2-乙酰鸟嘌呤、N-2-乙酰基鸟嘌呤、硫鸟嘌呤、异鸟嘌呤、鸟腺嘌呤、6-氯鸟嘌呤、盐酸鸟嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶、次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、3,6-二胺基-1,2,4,5-四嗪、N-硝基-3,6-二胺基-1,2,4,5-四嗪、2，4,6-三叠氮基-1,3,5-三嗪、N-硝基-2-胺基-4,6-三叠氮基-1,3,5-三嗪、四唑、5-胺基-硝基-二氢-四唑、2-甲基-5-胺基-硝基-二氢-四唑、2-乙基-5-胺基-硝基-二氢-四唑、5-甲胺基-硝基-二氢-四唑、2-甲基-5-甲胺基-硝基-二氢-四唑、2-乙基-5-甲胺基-硝基-二氢-四唑、1,2,4-三氮唑、3-氨基-1,2,4-三氮唑、5-氨基-1,2,4-三氮唑、1,2,3-三氮唑、N-硝基-5-氨基-1,2,4-三氮唑，4,5-二氰基咪唑，2-胍啶苯并咪唑，胍碳酸盐，巴比妥酸中的一种或多种。进一步地，所述造孔剂选自碳酸钠、碳酸氢钠、硫酸钠、硫酸氢钠、硝酸钠、磷酸钠、磷酸氢钠、磷酸二氢钠、硫化钠、亚硫酸钠、亚硫酸氢钠、氯酸钠、高铁酸钠、氟化钠、溴化钠、碘化钠、碳酸钾、碳酸氢钾、氯化钠、氯化钾、硝酸钾、磷酸钾、磷酸氢钾、磷酸二氢钾、硫化钾、亚硫酸钾、亚硫酸氢钾、氯化钙、乳酸钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙、硝酸钙、磷酸钙、硫化钙、亚硫酸钙、亚硫酸氢钙、碳酸钙、碳酸氢钙、硫酸钙、氯化镁、氢氧化镁、硝酸镁、磷酸镁、硫化镁、溴化镁、碘化镁、亚硫酸镁、亚硫酸氢镁中的一种或多种。进一步地，所述氮化钒前驱体选自乙酰丙酮氧钒、偏钒酸钠、硫酸氧钒水合物、氯化钒、四羰基环戊二烯基钒、乙酰丙酮钒、三异丙氧基氧化钒、偏钒酸铵、三氯氧钒、二氧化钒、三氧化二钒、氧化钒、氟化钒、环烷酸钒、四苯基卟吩氧化钒、三氟氨化钒、溴化钒、八乙基卟吩氧钒、二氯化二茂钒、四氯化钒、氧化三乙氧基钒、镓化钒、原钒酸铯、酞菁氧化钒、偏钒酸银、二氧化钒中的一种或多种本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于，包括氮掺杂的多孔石墨化碳，以及杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中的氮化钒；/n其中，按重量份计，各组分的含量为：氮掺杂的多孔石墨化碳100份、氮化钒0.1-400份、氮在氮掺杂的多孔石墨化碳中的掺杂量为0.01-55atom％。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化钒杂化和氮掺杂的多孔碳材料，其特征在于，包括氮掺杂的多孔石墨化碳，以及杂化在所述氮掺杂的多孔石墨化碳中的氮化钒；
其中，按重量份计，各组分的含量为：氮掺杂的多孔石墨化碳100份、氮化钒0.1-400份、氮在氮掺杂的多孔石墨化碳中的掺杂量为0.01-55atom％。


2.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，100份的所述氮掺杂的多孔石墨化碳中，包含1-55份氮。


3.根据权利要求1所述的多孔碳材料，其特征在于，所述多孔碳材料由下列重量份数原料制备得到：
碳源100份；
氮源1-1000份；
造孔剂100-2000份；
钒前驱体5-2000份；
去离子水1000-5000份。


4.根据权利要求3所述的多孔碳材料，其特征在于，所述碳源选自甘油醛D-甘油醛、L-甘油醛、赤藓糖、D-赤藓糖、L-赤藓糖、苏力糖、D-苏力糖、L-苏力糖、阿拉伯糖、D-阿拉伯糖、L-阿拉伯糖、核糖、D-核糖、L-核糖、脱氧核糖、2-脱氧-D-核糖、2-脱氧-L-核糖、木糖、D-木糖、L-木糖、来苏糖、D-来苏糖、L-来苏糖、葡萄糖、D-葡萄糖、L-葡萄糖、脱氧葡萄糖、2-脱氧-D-葡萄糖、2-脱氧-L-葡萄糖、甘露糖、D-甘露糖、L-甘露糖、果糖、D-果糖、L-果糖、半乳糖、D-半乳糖、L-半乳糖、D-甘露[型]庚酮糖、葡萄糖醇、D-葡萄糖醇、L-葡萄糖醇、葡萄糖酸、D-葡萄糖酸、L-葡萄糖酸、D-葡萄糖酸--内酯、D-葡萄糖酸--内酯、葡萄糖酸钙、D-葡萄糖酸钙、L-葡萄糖酸钙、乳糖、D-乳糖、L-乳糖、蔗糖、D-蔗糖、L-蔗糖、麦芽糖、D-麦芽糖、L-麦芽糖、淀粉、肝糖、纤维素、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。


5.根据权利要求3所述的多孔碳材料，其特征在于，所述氮源选自吡唑、咪唑、2-甲基咪唑、4-甲基咪唑、组织胺、1H-1,2,3-三氮唑、1,2,4-三氮唑、噻唑、吡啶、联吡啶、哒嗪、嘧嗪、吡嗪、1,2,3-三嗪、1,3,5-三嗪、1,3,4-三嗪、尿素、三聚氰胺、硫脲、对氨基苯、均三氨基苯、精胺、嘌呤、腺嘌呤、鸟嘌呤、嘧啶、胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶、1-甲基鸟嘌呤、2-甲基鸟嘌呤、3-甲基鸟嘌呤、6-甲基鸟嘌呤7-甲基鸟嘌呤、N-二甲基鸟嘌呤、N,9-二乙酰鸟嘌呤、N-乙酰鸟嘌呤、二乙酰鸟嘌呤、2,9-二乙酰鸟嘌呤、双乙酰鸟嘌呤、2-乙酰鸟嘌呤、N-2-乙酰基鸟嘌呤、硫鸟嘌呤、异鸟嘌呤、鸟腺嘌呤、6-氯鸟嘌呤、盐酸鸟嘌呤、5-甲基胞嘧啶、5-羟基胞嘧啶、次黄嘌呤、1-甲基次黄嘌呤、3,6...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿建新，杨欣玥，贾云灿，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11