[发明专利]一种碳氮多孔材料及其储氢应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳氮多孔材料及其储氢应用，属于无机纳米材料化学和新能源相关技术领域。 

背景技术

多孔碳材料在吸附、催化、分离及超级电容等领域已有广泛的应用。早期使用的多孔碳材料主要是活性碳，它们具有高的比表面积和丰富的纳米孔结构，容易大规模制备。通过后续的活化处理，如二氧化碳高温活化、碱高温活化或水蒸气高温活化，能够进一步改善其孔结构，增加比表面积，从而有利于其功能应用。从1999年Ryoo等人(Ryoo，R.et.al.，J.Phys.Chem.B，1999，103，7743)首次报导有序介孔碳的工作以来，介孔碳的研究开始广泛贯穿于许多领域。进一步对这种介孔碳材料进行后续活化在储氢上的应用也有报导。最近夏开胜、高秋明等人(Xia，K.S.，Gao，Q.M.，et.al.，Carbon，2007，45，1989)的工作表明，对CMK-3进行二氧化碳高温活化能获得具有较高低温吸氢容量的多孔碳材料。 

人们对多孔碳材料的室温储氢理论和初步实验研究认为，对碳骨架进行一些轻质元素(氮、磷、硼等)掺杂可能会有益于其吸氢性能的改善。然而，对多孔碳材料进行有效的这种轻质元素掺杂，且仍能保持其高比表面和孔结构特性并不容易。通常的办法是高温氨气下进行表面氨化，但这种手段并不能改变碳骨架内的元素组成，且通常会降低碳材料的孔容和比表面积。浓硝酸处理也有类似的问题。最近Vinu，A.(Vinu，A.et.al.，Adv.Mater.，2005，17，1648)等人利用硬模板法合成出了一种有序介孔碳氮材料。我们设想，如果直接对这种有序介孔碳氮材料进行后处理活化，也许可以获得具有较高比表面积和较高孔容的氮掺杂多孔碳材料。这也正是寻找有效的碳基储氢材料所需要的。 

发明内容

本发明提供了一种碳氮多孔材料及其储氢应用，这种氮掺杂多孔碳材料表 现出了优异的储氢性能。 

具体的材料制备步骤如下： 

(1)将介孔氧化硅粉体(如SBA-15、KIT-6、MCM-41等)与乙二胺混合，以四氯化碳为溶剂，充分搅拌，使得乙二胺充分浸入到介孔氧化硅粉体的孔道中，然后在60～100℃下回流处理2～10小时冷却； 

(2)将步骤(1)得到的产物在惰性气氛下碳化； 

优选的碳化温度为400～800℃，保温时间2～10小时； 

(3)将步骤(2)得到的产物加入到质量比为1～15％的氢氟酸溶液中，搅拌、过滤分离、多次洗涤、干燥； 

(4)将步骤(3)所得的产物放入管式炉中，以氩气作为保护气氛，升温至900～1050℃，关闭氩气，通入二氧化碳气流，保温1～3小时，然后关闭二氧化碳，打开氩气，降温冷却。 

优选的升温速率为2～20℃/min。 

优选的二氧化碳流速为10～25mL/min。 

用得到的碳氮多孔材料进行室温储氢测试。室温下先抽真空12h活化样品，然后通入高纯氢气加压，其中每十个大气压平衡稳定2h，加压到80个大气压压力后减压。 

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在： 

(1)本发明前期采用有序介孔氧化硅分子筛为模板制备多孔碳，使得多孔碳氮材料具有开放的孔道结构和大量的介孔，这有利于氢气分子的吸附。 

(2)采用二氧化碳后处理的方法，可以有效提高多孔碳氮材料的比表面积、微孔占有率，可以达到改善并提高其储氢性能的目的。 

(3)相对于其他后处理方法，如浓酸、浓碱处理等，二氧化碳后处理法工艺简单、便于控制、安全性高。 

(4)本发明方法提出了一种新的简单的对多孔碳材料进行氮掺杂的方法，相对于高温氨气法处理多孔碳材料来进行表面修饰，这种方法在进行元素掺杂的同时对改善多孔碳材料的比表面积和孔容和孔结构更有利。 

附图说明

图1为活化一小时得到的多孔碳氮材料的透射电镜(TEM)照片。 

图2为这种活化一小时得到的多孔碳氮材料的室温吸氢曲线。 

图3为活化三小时得到的多孔碳氮材料的透射电镜(TE M)照片。 

图4为这种活化三小时得到的多孔碳氮材料的室温吸氢曲线。 

图5为对比例1和2的室温吸氢曲线。 

具体实施方式

以下以实施例的方式说明本发明，但不仅限于下述实施例。 

实施例1