[发明专利]一种多级孔氮掺杂多孔碳的制备方法

说明书

本发明公开一种多级孔氮掺杂多孔碳的制备方法。首先将4‑乙烯基吡啶与氯化铁、硬模板剂混合制备碳化前驱体，接着将前驱体置于管式炉中高温碳化获得碳化产物，再将碳化产物洗涤除去残余的铁盐和模板剂，最后经过滤、干燥即可得到具有多级孔结构的氮掺杂多孔碳。本发明以碳化过程中自发聚集的铁纳米晶簇为致孔剂获得微孔结构，以预先添加的硬模板剂为非微孔致孔剂获得非微孔结构，成功制备一种具有多级孔结构的氮掺杂多孔碳。本发明方法简单、适合大规模生产，同时制备的多级孔氮掺杂多孔碳比表面积大，孔道结构规整，性能优异，在环境保护、传感、能量存储转换、催化等领域有着广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，具体的说，涉及一种多级孔氮掺杂多孔碳的制备方法。

背景技术

多孔碳材料具有高比表面积、大的孔体积、连通且均一的孔道、可调的孔径等诸多优点，使其在催化、吸附、传感、电化学等方面具有广泛的应用。进一步研究表明：将氮原子掺杂到多孔碳材料的表面或骨架结构中获得具有氮掺杂多孔碳，可显著提高多孔碳材料的各方面的性能。

多孔材料的孔道根据其孔径可以分为：小于2 nm的微孔、介于2-50 nm之间的介孔和孔径大于50 nm的大孔。研究表明：（1）微孔有利于增大多孔材料的比表面积、增多表面活性位点，然而其较小的孔径将增大空隙间传质阻力，也更容易引起孔道的堵塞使内部的比表面积无法得以利用；（2）介孔或大孔对多孔材料的比表面积贡献相对较低，但有利于降低传质阻力、减少扩散路径、提高传质速率，使介质更容易到达材料表面提高材料的表面利用效率。

同时具备上述两种及两种以上孔型的氮掺杂多孔碳材料称为多级孔氮掺杂多孔碳。利用微孔结构提高比表面积、反应活性，介孔或大孔结构减少传质阻力、提高传质效率，不同类型的孔道相互联结形成复杂多样的多孔网络，通过多级孔道结构协同作用克服单一孔型在传质过程中存在的缺陷。多级孔氮掺杂多孔碳材料是目前材料研究和应用领域的热点之一。

发明内容

本发明提供一种多级孔氮掺杂多孔碳的制备方法。本发明首先将4-乙烯基吡啶与氯化铁、硬模板剂混合制备碳化前驱体，接着将前驱体置于管式炉中高温碳化获得碳化产物，再将碳化产物洗涤除去残余的铁盐和模板剂，最后经过滤、干燥即可得到具有多级孔结构的氮掺杂多孔碳。

本发明具体的技术方案通过以下步骤实施：

一种多级孔氮掺杂多孔碳的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：

（1）将4-乙烯基吡啶加入到适当的溶剂中搅拌溶解，得到4-乙烯基吡啶溶液；

（2）向4-乙烯基吡啶溶液中加入适量的模板剂，搅拌分散均匀，得到含有模板剂的4-乙烯基吡啶溶液；所用模板剂与4乙烯基吡啶的质量比为1:16~1:1；

（3）将FeCl3·6H2O加入到适当的溶剂中搅拌溶解，得到FeCl3·6H2O溶液；FeCl3·6H2O溶液的浓度为0.01~0.2 mol/L；

（4）将FeCl3·6H2O溶液加入到含有模板剂的4-乙烯基吡啶溶液中，搅拌一定时间然后经减压蒸馏、真空干燥得到碳化前驱体；交碳化前驱体中的Fe3+和4-乙烯基吡啶单体的摩尔比为1:8~8:1；

（5）将碳化前驱体置于石英舟中放入管式炉中，N2氛围下以一定程序升温至指定温度碳化，然后自然冷却得碳化产物；