一种硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种微波耦合水热法制备硫氮双掺杂氧改性碳布材料的方法，该首先对碳布进行预处理，在一定气氛下利用微波脉冲对碳布进行氧改性，接着采用一步水热法在氧改性的碳布表面实现硫氮物种的双掺杂，干燥后得到硫氮双掺杂氧改性碳布材料。微波处理后的材料表面形貌相较原始未处理的碳布表面粗糙度及无序化程度明显提高，表面有效接枝丰富的含氧官能团，由疏水表面变为亲水表面。通过改变碳布表面的缺陷程度，利于后续硫氮物种的掺杂，最后制备的材料氧元素含量占比为5～20％，硫的元素含量占比为1～10％，氮的元素含量占比为1～10％。采用此方法制备的杂原子掺杂氧改性碳布，原料易得，工艺简单，便于控制条件，且杂原子掺杂量较高。子掺杂量较高。子掺杂量较高。

【技术实现步骤摘要】
一种硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法


[0001]本专利技术涉及功能材料领域，特别涉及一种硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法。

技术介绍

[0002]氧化反应在整个有机化学品生产中所占比例超过30％，现行催化剂多为金属催化剂。为缓解污染问题而进行的催化和环境友好型能源领域的前沿科学技术研究在近期引起了广泛关注。然而，由于储量有限及环境污染等问题，金属基催化剂在工业上的大规模使用受到多种限制或挑战。更有效的催化和新的催化技术对于最大程度地减少环境污染至关重要，巨大的需求促使研究人员开发具有高活性、高选择性、出色稳定性、易于回收的先进性能的催化剂。碳材料尤其纳米碳材料由于具有较大的比表面积、抗酸碱、来源广泛和表面基团可调等独特性质受到了研究者的广泛关注。碳基无金属纳米材料被发现可用于多类需要金属催化的过程，有望替代传统的金属基催化剂，对节约金属资源、提高化工过程可持续性具有重要意义。然而，在使用碳纳米催化材料时，需要通过固液分离装置对超细粉体形式的催化剂进行回收，以避免催化剂的流失，这增加了工艺流程的复杂性及成本。因此，制备出更适用于反应器的整体式碳基催化剂是有必要的。
[0003]商用碳布是由薄的、连续、独立、相对光滑的碳纤维(直径约为10μm)编制而成的。碳布在微观尺度上是一个三维结构，编制结构所产生的空间和间隙，在实际应用中，特别是在液体环境中，有利于质量的渗透和交换因其优异的热稳定性、高导电性、优异的耐酸碱性和机械稳定性，碳布已成为一种在储能装置、光催化和电催化等领域具有发展潜力的基材。但由于碳布的表面缺陷较少，作为基底，活性物质负载量较低。因此，需要对碳布进行表面官能团改性和功能化。常见的气相氧化、液相氧化、等离子体氧化等方法容易破坏碳布的骨架结构，因此如何不破坏碳布的结构的基础上进行改性以增加其活性物质负载量，并制备一种结构化碳催化材料就成了解决问题的关键。

技术实现思路

[0004]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种简单有效的硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法。该制备方法采用微波耦合水热处理法，即首先对碳布进行预处理，使用微波法对碳布进行氧改性，增加碳布的表面缺陷及功能官能团数量，便于后续掺杂。接着采用合适的硫氮前驱体为为硫、氮来源，采用一步水热法在改性后的碳布表面实现硫氮物种的共掺杂，干燥后得到杂原子掺杂的碳布基材料。
[0005]该材料表面形貌相较原始未处理的碳布表面粗糙度及无序化程度明显提高，碳布表面接枝丰富的含氧官能团，由疏水表面变为亲水表面，并成功地掺入硫氮物种，氧元素含量占比为5～20％，硫的元素含量占比为1～10％，氮的元素含量占比为1～10％。采用此方法制备的杂原子掺杂氧改性碳布，原料易得，工艺简单，便于控制条件，且杂原子掺杂量较高。无需任何强酸和强碱，不会对环境产生污染，不会对人体产生危害，且成本更加低廉。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是提供一种简单有效的硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
[0007]步骤1)将一定大小的碳布用乙醇和去离子水进行预处理；
[0008]步骤2)将预处理后的具有一定含水量的碳布放入微波炉内，控制微波处理时间，使碳布充分改性；
[0009]步骤3)将上步得到的碳布用一定温度的去离子水进行快速冷却；
[0010]步骤4)将与碳布质量成一定比例的硫氮前驱体及适量的水形成溶液；
[0011]步骤5)将冷却后的碳布加入硫氮前驱体溶液中，转移至水热釜，并控制温度，控制反应适当的时间，使碳布在水热釜内充分反应；
[0012]步骤6)将水热处理后的碳布用去离子水洗涤，干燥后得到最终产物硫氮双掺杂氧改性碳布。
[0013]优选的，步骤2)使用的预处理碳布含水率为10～50％。
[0014]优选的，步骤2)所述的微波处理时间为10～60s。
[0015]优选的，步骤2)所述的微波处理气氛选自下列物质中的一种或多种：空气、氧气、氩气。
[0016]优选的，步骤3)所述的水的温度为2～6℃。
[0017]优选的，步骤4)所述的碳布：硫氮前驱体的质量比例为1：20～70。硫氮前驱体的质量与水的比例为1:1～50。
[0018]优选的，步骤4)所述的硫氮前驱体盐选自下列物质中的一种或多种：硫脲、双硫腙、二甲基亚砜、硫代乙酰胺。
[0019]优选的，步骤5)中，所述的反应温度为100～250℃，更优选的，反应温度为120～200℃；最优选的，反应时间为180℃。
[0020]优选的，步骤5)中，所述的反应时间为5～60h，更优选的，反应时间为8
‑
24h；最优选的，反应时间为12h。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1.本专利技术制备出的硫氮双掺杂氧改性碳布材料具有多种官能团及亲水性。无需任何强酸和强碱，不会对环境产生污染，不会对人体产生危害，且成本更加低廉。
[0023]2.本专利技术所用的原料易得，工艺简单，便于控制条件，且杂原子掺杂量较高。
[0024]3.本专利技术制备出的材料具有高效氧化性，可应用于催化醇类液相氧化反应。
附图说明
[0025]图1为实施例1中硫氮双掺杂氧改性碳布材料的实物图。
[0026]图2为实施例3中硫氮双掺杂氧改性碳布材料的SEM扫描电镜图。
[0027]图3为实施例5中硫氮双掺杂氧改性碳布材料的XPS图谱。
[0028]图4为实施例5中硫氮双掺杂氧改性碳布材料的AFM粗糙度数据图。
具体实施方式
[0029]为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例对本专利技术做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本
专利技术的保护范围。
[0030]实施例1：
[0031]1)将大小为1*2cm2的碳布用乙醇和去离子水进行洗涤；
[0032]2)将预处理后的碳布(含水率为0％)放入家用微波炉(700W)内，空气气氛下对碳布进行脉冲加热处理5s，使碳布充分改性；
[0033]3)将上步得到的碳布加入去离子水(1℃)中，进行快速冷却；
[0034]4)将与碳布质量成1:10的硫脲粉末，分散于25mL去离子水中，形成硫脲溶液；
[0035]5)将冷却后的碳布加入硫脲溶液中，转移至水热釜，并控制温度为100℃，控制反应时间为4h，使溶液在水热釜内充分反应；
[0036]6)将水热处理后的碳布用去离子水洗涤，干燥后得到最终产物硫氮双掺杂氧改性碳布。
[0037]实施例2：
[0038]1)将大小为1*2cm2的碳布用乙醇和去离子水进行洗涤；
[0039]2)将预处理后的碳布(含水率为10％)放入家用微波炉(700W)内，氧气气氛下对碳布进行脉冲加热处理15s，使碳布充分改性；
[0040]3)将上步得到的碳布加入去离子水(4℃)中，进行快速冷却；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法，其特征在于：该材料是在使用微波法对碳布进行氧改性的基础上，耦合一步水热处理法，使硫氮两种非金属元素共同掺杂在氧改性的碳布基底上；步骤1)将碳布用乙醇和去离子水进行预处理；步骤2)将预处理后的碳布放入微波炉内，控制微波处理时间，使碳布充分改性；步骤3)将上步得到改性碳布用一定温度的去离子水进行快速冷却；步骤4)将与碳布质量成一定比例的硫氮前驱体及适量的水形成溶液；步骤5)将冷却后的碳布加入硫氮前驱体溶液中，转移至水热釜，并控制温度，控制反应时间，使碳布在水热釜内充分反应；步骤6)将水热处理后的碳布用去离子水洗涤，干燥后得到最终产物硫氮双掺杂氧改性碳布。2.按照权利要求1所述的一种硫氮双掺杂氧改性碳布材料的制备方法，其特征在于：制备方法包含如下步骤：步骤2)使用的预处理碳布含水率为0～50％；步骤2)所述的微波处理时间为6～60s；步骤2)所述的微波处理气氛选自下列物质中的一种或多种：空气、氧气或氩气；步骤3)用于快速冷却的水温为1～10℃；步...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建峰，张玥，王丹，蒲源，王洁欣，
申请(专利权)人：北京化工大学，
类型：发明
国别省市：