[发明专利]一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶及其制备方法

说明书

本发明公开了一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶，将生物质多糖类结构高分子材料通过机械法、化学氧化预处理法、酶预处理法制备纤维素气凝胶，然后在富氮气氛中高温热解的方法制成。本发明不仅提高了生物质多糖类结构高分子材料使用价值，而且也为高效利用碳材料资源提供了新的思路和方法。

技术领域

本发明涉及碳气凝胶，具体涉及一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶及其制备方法。

背景技术

多孔碳气凝胶材料具有可控的孔隙结构和优异的表面化学性质，但是它并非十分的完美。纯碳气凝胶材料的结构比较完整，但是活性位点较少，因而大大限制了碳材料的水溶性和反应活性。而对碳气凝胶材料进行异质原子的掺杂可显著改善其结构和导电性。在众多掺杂剂中，氮是最受欢迎的一种元素。氮在元素周期表中位于第VA族，与碳原子相邻，原子半径也与碳原子的半径相近，因此氮原子的掺杂可使碳材料的晶格畸变较小。氮原子上带有的孤对电子可充当载流子的作用，掺杂进碳气凝胶中会使碳材料的电荷密度增加形成n型半导体，进而增加碳材料的导电性能。氮原子的引入会增加碳材料的缺陷，从而在电催化或电化学反应中增加反应活性。并且含氮官能团的增加能改善碳材料的水溶性能，提高其生物相容性；含量丰富的结构氮还可以增强材料的路易斯碱性。氮掺杂的碳气凝胶具有如此多的优点，因而可以广泛应用于催化、吸附、传感、电化学等方面。为此氮掺杂的碳气凝胶也成为了碳材料领域内的研究热点之一。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有纯碳气凝胶材料结构单一，活性位点少等不足，提供了一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂碳气凝胶的方法。本发明提供的一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶及其制备方方法，其特征在于将生物质多糖类结构高分子材料通过机械法、化学氧化预处理法、酶预处理法制备纤维素气凝胶，然后在富氮气氛中高温热解即可获得氮掺杂的碳气凝胶。本发明利用原位掺杂的方法进行氮掺杂不但制备过程简单，工艺控制容易，而且可以获得的氮含量丰富的碳气凝胶，含氮量可高达19％。此方法可以使碳气凝胶表面含有较多的含氮官能团和获结构氮含量丰富的碳气凝胶材料。由于氮原子的掺杂在六边形碳网络中产生局部张力，导致碳结构变形，且氮原子的孤对电子可以供给sp2杂化碳骨架离域π键负电荷，因而可以增强电子传输特性及反应活性。此外，氮原子进入碳气凝胶，还可以改变材料的能带结构，使碳气凝胶材料的价带降低，增强材料的化学稳定性，增加费米能级上的电子密度。本发明将生物质多糖类结构高分子材料通过机械法、化学氧化预处理法、酶预处理法制备纤维素气凝胶，然后利用原位掺杂的方法将纤维气凝胶置于富氮气氛中高温热解即可获得含氮量丰富的氮掺杂碳气凝胶，此方法不仅提高了生物质多糖类结构高分子材料使用价值，而且也为高效利用碳材料资源提供了新的思路和方法。

本发明的技术方案为：

一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶，将生物质多糖类结构高分子材料通过机械法、化学氧化预处理法、酶预处理法制备纤维素气凝胶，然后在富氮气氛中高温热解的方法制成。

一种利用天然结构高分子纳米纤维气凝胶制备氮掺杂的碳气凝胶的制备方法，通过以下步骤实现的：

(1)将生物质多糖类结构高分子材料利用化学抽提的方法进行纯化或漂白；

(2)将步骤(1)得到的纯化或漂白后的生物质浆料通过盘磨处理的方法配制1wt％分散液；

(3)将步骤(2)分散好的分散液加入磷酸盐或醋酸盐缓冲溶液，在磁力搅拌器上300～1500rpm，常温常压搅拌5～60min，得到分散均匀的纤维素分散液；