[发明专利]一种非贵金属负载多孔碳材料的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种非贵金属负载多孔碳材料的制备方法及其应用，该制备方法利用可通过后修饰法负载非贵金属的联吡啶类共价有机框架材料和框架中含有非贵金属的卟啉类共价有机框架材料作为前驱体，在惰性气体保护下，从室温程序升温至碳化温度，并保持120分钟，得到非贵金属负载多孔碳材料，然后应用于超级电容器。本发明非贵金属负载多孔碳材料的制备方法操作简单，且无需使用模板剂。通过本发明制得的非贵金属负载多孔碳材料具有高比表面积、高热稳定性，且作为电活性材料用于制备超级电容器工作电极，电化学性能好。

技术领域

本发明属新型多孔碳材料领域，具体涉及一种非贵金属负载多孔碳材料的制备方法及其应用。

背景技术

探索新的电极材料对于提高太阳能电池、锂离子电池和超级电容器等新能源存储和能量转化器件的性能起到至关重要的作用。金属氧电池、燃料电池中所涉及的氧还原反应及析氧反应难度较大，必须采用大量的贵金属催化剂(如Ru、Pd、Ir)才能使反应发生，但其昂贵的价格增加了电池的制备成本，成为这类电池技术的主要瓶颈。因此，开发低成本的非贵金属催化剂作为电极材料是一个解决该问题的有效方法。多孔碳材料具有导电性好、比表面积高、孔结构丰富以及化学稳定性高等优点，非贵金属负载的多孔碳材料在氧还原反应及析氧反应催化、超级电容器等电化学中的应用已成为新能源领域的研究热点。

多孔碳材料可通过物理化学活化碳前驱体或直接碳化制备，得到的多孔碳结构无序，孔径分布宽，在应用上受到了限制。模板碳化法虽然可以有效控制多孔碳的结构，但操作繁琐、耗时，成本高，环境污染大。而且采用硬模板法制备负载金属的多孔碳材料时，酸、碱除去硬模板过程会引起金属负载量和价态的变化。近年来发展的制备多孔碳材料的前驱物——金属有机框架材料(MOFs)和共价有机框架材料不仅是非常合适的碳源，而且能够在碳化过程中实现骨架中金属原子的原位负载。其中，共价有机框架材料是一类新兴的孔道结构规整、晶型有序的有机框架材料，其结构的多样性为多孔碳材料的合成提供了充足的原料和研究空间，是新型多孔碳材料领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非贵金属负载多孔碳材料的制备方法及其应用。

为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种非贵金属负载多孔碳材料的制备方法，包括如下步骤:

(1)提供非贵金属负载联吡啶类和非贵金属卟啉类共价有机框架材料；

(2)对步骤(1)中所述非贵金属负载联吡啶类和非贵金属卟啉类共价有机框架材料在氮气氛围下进行热重表征，根据其在不同温度下的热解情况选择合适的碳化温度T；

(3)将步骤(1)中所述非贵金属负载联吡啶类和非贵金属卟啉类共价有机框架材料均匀分散在样品管中，惰性气体保护条件下，按1-5℃/min升温至步骤(2)中所述的碳化温度T；

(4)惰性气体保护条件下，维持碳化温度T，60-720min；

(5)惰性气体保护条件下，按1-5℃/min降温至300-600℃，然后自然冷却至室温，得到非贵金属负载多孔碳材料。

步骤(1)中所述非贵金属负载联吡啶类和非贵金属卟啉类共价有机框架材料具有规整的微/介孔结构，以及较高的比表面积和热/化学稳定性。

步骤(1)中所述非贵金属负载联吡啶类共价有机框架材料由联吡啶类共价有机框架材料经过后修饰得到。

其中联吡啶类共价有机框架材料包括但不局限于以下这些材料：Py-2,2’-BpyPhCOF、CuP-BPyPh COF、TpBpy；