[发明专利]一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法

说明书

本发明提供一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法，属于材料科学领域。该方法首先将含氮聚合物包覆在环状C₃N₄模板上，随后对其进行高温煅烧，高温使C₃N₄分解，产生大量含氮气体，可作为造孔剂和氮源，同时聚合物碳化得到氮掺杂环状空心纳米炭材料。该材料结构独特、具有高氮含量，在超级电容器、锂离子电池、电化学催化剂等方面具有广阔的应用前景。该方法具有操作简便、容易工业化生产、且对环境污染小的特点，是一种重要的氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法。

技术领域

本发明属于材料科学技术领域，尤其涉及一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法。

背景技术

炭材料由于热稳定性好、机械稳定性高、孔隙结构发达、导电性优异、比表面积大等特点，在分离、吸附、催化、气体存储及能源存储与转化等领域显示出巨大的应用潜力。材料的性能主要由其组成与结构决定，其中结构对于纳米材料更为重要。目前，人们已经合成出形貌各异的纳米炭材料，如零维富勒烯、一维碳纳米管、二维片状石墨烯、及各种三维组装体等碳纳米结构，通过模板法还可控制合成纳米碳片、有序介孔炭、空心碳壳等等，但闭合环状结构的碳材料迄今未见报道。目前仅见报道的环状纳米材料有：纳米环状α-Fe₂O₃[Xianluo Hu,et al.Advanced Materials,2007,19(17):2324]、Au纳米环[Yan Feng,etal.Nano Letters,2004,4(7):1193]和TiO₂纳米环[Sun Fengqiang,et al.Chemistry ofMaterials,2006,18(16):3774]，但合成过程步骤繁杂，产量极低。空心环状纳米结构介于一维和二维材料之间，由于结构独特，内、外表面可以同时利用，比表面积大，可望赋予材料卓越性能。

此外，杂原子掺杂是进一步提高炭材料性能的重要手段。尤其是氮原子，可掺杂到炭骨架中，调控其物理化学性质，从而强化多孔炭材料功能，甚至赋予炭材料新的功能。研究表明，在炭骨架中引入氮原子后，氮原子中孤对电子可赋予sp²杂化炭骨架中离域π系统负电荷，从而增强炭材料的导电性[Kurak K.A.,et al.Journal of Physical ChemistryC,2009,(113):6730]；掺杂富电子的氮原子可调控炭材料的能带结构，使炭材料的价带降低，增加炭材料费米能级上的电子密度及增强其化学稳定性[Kim D.P.,et al.Chemistryof Materials,1991,(3):686]。一般地，通过对碳材料进行后处理或者直接热解含氮前驱体对碳材料进行氮掺杂。但后处理掺氮法(如氨气高温热处理)引入的氮元素含量目前文献报道的最大值不超过10wt.％，而且形成的含氮官能团一般不稳定，主要分布在碳材料表面，这种表面功能化不能改变大部分的碳骨架属性。而基于模板辅助的直接热解含氮前驱体法，不仅可以制备均一孔径的多孔碳材料，同时可实现高含量氮元素体相掺杂。常用的模板剂包括硬模板(如微/纳米硅球、介孔硅、泡沫镍、氧化镁等)和软模板(如三嵌段共聚物)，采用的富氮前驱体有各种聚合物如聚丙烯腈、聚吡咯、三聚氰胺等，但模板的去除步骤比较繁杂，所用试剂腐蚀性强(强酸或强碱刻蚀)，若批量制备势必对环境造成危害。

因此，如何通过简便、绿色的方法，大批量合成新颖结构的环状空心纳米炭材料，成为一项巨大的挑战。本发明开发了自牺牲模板、原位掺杂氮元素的环状空心纳米炭材料的环境友好、高效制备技术，无疑可填补碳材料领域国际国内研究的空白。

发明内容

本发明提供了一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法，首先将含氮聚合物包覆在环状C₃N₄的表面，随后对其进行高温煅烧处理，高温使C₃N₄分解，产生大量含氮气体，可作为造孔剂和氮源，简单高效得到氮掺杂环状空心纳米炭材料。

本发明的技术方案：