[发明专利]一种空间限制效应制备氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料的方法

说明书

本发明公开了一种空间限制效应制备氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料的方法，具体是以三聚氰胺甲醛树脂微球为炭前驱体，以纳米级γ‑Fe₂O₃为石墨化催化剂，利用刚玉坩埚的空间限制效应，制备得到氮掺杂石墨化多孔炭纳米片；将刚玉坩埚换为刚玉方舟，制备得到氮掺杂石墨化多孔炭纳米球结构。本发明制备工艺简单且可操作性高，采用一步碳化处理过程，同时实现前驱物结构的碳化、骨架石墨化及氮功能化修饰，具有高效、快速、节能的优点，适用于大规模工业化生产，所制备的氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料具有优越的石墨化骨架结构，高的氮掺杂量和出众的孔隙结构。

技术领域

本发明属于多孔炭材料技术领域，具体涉及一种空间限制效应制备氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料的方法。

背景技术

多孔炭材料是20世纪60年代发展起来的新型的备受欢迎的纳米材料。多孔炭材料具有优越的化学稳定性、化学惰性、均一可控的孔径尺寸、可调的形貌结构、低廉的生产成本以及环境友好型等优点，故而经发现就受到人们的广泛关注与研究。目前，多孔炭材料已广泛应用于多个领域，包括能源存储与转换、环境治理、化学化工产业、石油工业、食品工业、生物制药产业、军事化防护等众多领域。

多孔炭材料具有多种不同的形貌和结构，不同的形貌结构在不同的应用领域中呈现出各自形貌结构所带来的独特优势。迄今为止，多孔炭纳米球、纳米片、纳米线、纳米棒、纳米花、纳米纤维、纳米管等形貌结构均已成功被制备合成。其中，二维的纳米片结构由于其往往具有高的表面积、发达的孔隙结构、可控的片层厚度等特点受到更多的关注和青睐，特别是在电化学能源存储与转化应用领域。当前，制备炭纳米片的方法主要包括机械剥离法、模板法、自组装法、化学气相沉积法、溶剂法等。然而，这些方法往往具有制备工艺复杂且耗时、生产成本高、经济效益低及产生废气废料等缺陷，严重限制此类材料的工业化大规模生产和实际应用。因此，寻找一种简便、绿色的、易于大规模生产的制备方法来推动炭纳米片材料的应用成为一种研究趋势。

三聚氰胺与甲醛易于通过缩聚反应形成一种聚合树脂，以此类树脂为炭前驱体，可制备获得多孔炭材料。目前，通过单纯控制聚合时间、温度、反应物浓度、碳化升温速率等参数，主要可获得多孔炭纳米球和多孔炭块体材料，但难以控制合成形貌较为均一的纳米片形貌结构。

发明内容

基于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种空间限制效应制备氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料的方法，通过以三聚氰胺甲醛聚合树脂微球为炭前驱体，以纳米级的γ-Fe₂O₃粒子为石墨化催化剂，利用空间限制效应一步法制备得到氮掺杂石墨化炭纳米片或氮掺杂石墨化炭纳米球。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种空间限制效应制备氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料的方法，包括以下步骤：

（1）将纳米γ-Fe2O3粉体及甲醛溶液分散于水中，加热至75~85℃，保持该温度，边搅拌边加入三聚氰胺，至三聚氰胺完全溶解，得到反应液；其中，纳米γ-Fe₂O₃粉体、甲醛溶液中的甲醛及三聚氰胺的质量之比为1∶（70~80）∶（45~55）；

（2）将步骤（1）所得反应液继续于75~85℃搅拌产生沉淀，反应至沉淀不再增多后，冷却至室温，固液分离，取固体洗涤、烘干，得到三聚氰胺甲醛树脂微球；

（3）将步骤（2）所得三聚氰胺甲醛树脂微球放入煅烧器皿中，于氮气气氛下，升温至700~900℃，保温1~5小时后，自然冷却至室温；然后于稀盐酸中浸泡1~3小时，再水洗至中性，烘干，即得氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料；

其中，当煅烧器皿为刚玉坩埚，且刚玉坩埚内三聚氰胺甲醛树脂微球的加入量为0.08~0.2 g/mL时，所得氮掺杂石墨化多孔炭纳米材料为纳米片结构；