[发明专利]一种含氮量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法

说明书

一种含氮量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法，含氮化合物和无机碱的混合物用甲醛溶液溶解，搅拌下加入间苯二酚，搅拌反应；随后，上述混合溶液加入到乙醇和水的混合溶剂溶解的F127中，并加入盐酸催化反应，继续搅拌0.5~4 h；搅拌结束后，上述混合液在室温下陈化，倾去上清液，干燥得样品；氮气保护下，控制管式炉升温速率，对得到的样品炭化，得到掺氮的有序中孔炭。该方法具有反应条件温和，反应时间短，工艺简单，掺杂氮含量可调控等特点，更适合规模化掺氮有序中孔炭的生产。

技术领域

本发明属于无机非金属材料中的炭素材料技术领域，具体涉及一种含氮量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法。

背景技术

有序中孔炭（Ordered mesoporous carbons, OMCs）是指孔道有序排列，孔径分布在2~50 nm范围内的新型炭材料，由于具有较高的比表面积，较大的孔容积，可调控的孔径大小和窄的孔径分布，较好的离子、分子传输性能以及高化学及热稳定性，因而在吸附、分离、催化剂负载、储能等领域有着广泛的应用。

有序中孔炭的性能除了受孔径大小和排布的影响之外，还受到表面官能团和化学组成等的影响。氮掺杂的有序中孔炭（NOMCs）因为含有氮杂原子，可以改变体系的电子云分布，增强体系π键和碱性，同时还可作为活性反应位点，从而可以提高有序中孔炭在催化、超级电容器以及吸附方面的性能，受到人们的广泛关注。

有序中孔炭的制备主要是基于模板法。常见的氮掺杂有序中孔炭的制备方法是使用具有规则孔径的多孔硅材料来作为模板，以同时含碳和氮的化合物（如乙二胺、聚丙烯腈、苯胺、聚吡咯等）为氮源和碳源，通过炭化、洗除模板等步骤制得。该方法中使用的模板是人工合成，炭化后还需要HF或NaOH溶液将模板（SiO₂）去除，工艺复杂，耗时较长，成本高的同时还会对环境造成污染，因此很难大规模应用。通过自组装软模板法来制备掺氮有序中孔炭，在制备过程中添加含氮化合物为氮源，无需人工合成的SiO₂为模板，避免了HF和NaOH的使用，既简化了制备工艺，又节约了成本，同时氮的含量可以通过氮源的添加量控制，是一种简单有效的掺氮有序中孔炭的制备方法。然而，常规的自组装软模板法制备掺氮的有序中孔炭仍存在很多问题：如溶剂蒸发诱导的自组装需要将大量的溶剂蒸发，非常耗时且能耗较大；水热法自组装需要较高的反应温度；液相自组装则往往需要非常长的陈化时间。因此，反应条件温和，工艺简单，反应时间短，氮含量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法成为人们的研究热点。

发明内容

解决的技术问题：本发明提供一种含氮量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法，该方法具有反应条件温和，反应时间短，工艺简单，掺杂氮含量可调控等特点，更适合规模化掺氮有序中孔炭的生产。

技术方案：一种含氮量可调控的掺氮有序中孔炭的制备方法，包括以下步骤：（1）15~25 ℃条件下，含氮化合物和无机碱的混合物用37wt.%的甲醛溶液溶解，搅拌下加入间苯二酚，搅拌反应0.5~4 h；随后，上述混合溶液加入到乙醇和水的混合溶剂溶解的F127中，乙醇和水的摩尔比为1:2，并加入盐酸催化反应，继续搅拌0.5~4 h；间苯二酚:含氮化合物:无机碱:F127:甲醛:HCl:乙醇:水的摩尔比=1:（0.1~1）:（0~0.01）:（0.0035~0.008）:（1.1~3）:（0.1~0.5）:（8~12）:（16~24）；搅拌结束后，上述混合液在室温下陈化 10~24h，倾去上清液，50~100 ℃下干燥12~24 h得样品；（2）氮气保护下，控制管式炉升温速率，炭化过程中管式炉升温速率在0~100 ℃范围内为5~10 ℃/min，100~400 ℃范围内为1~2 ℃/min，400~800 ℃范围内为1~5 ℃/min，在400~800 ℃下对步骤（1）得到的样品炭化1~3 h，得到掺氮的有序中孔炭。

优选的，上述含氮化合物选自双腈胺、三聚氰胺、赖氨酸或精氨酸。