[发明专利]一种利用燃烧反应合成氮掺杂多孔碳材料的制备方法

说明书

本发明公开了一种利用燃烧反应合成氮掺杂多孔碳材料的制备方法，以常见的蔗糖、小苏打和无水乙醇为原料，采用新颖的燃烧法来构筑多孔碳泡沫，结合在氨气氛围下的高温热解反应制备氮掺杂多孔碳。制备的产品具有明显的多孔结构和大的比表面积以及氮掺杂，具有广阔的应用前景，如燃料电池电催化剂、锂离子电池和超级电容器等领域。另外，该方法同时具有简单、低廉和可放大生成等特点。

技术领域

本发明属碳材料领域，具体涉及一种利用燃烧反应合成氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

背景技术

碳元素以各种形态（如，微生物、动植物以及含碳化合物等）广泛分布于我们的周围。其中多孔碳材料由于具有一些优良属性被研究人员所关注，重点应用于电催化、锂离子电池和超级电容器等领域。研究者们尝试各种合成方法和技术来制备相应的多孔碳材料以满足其性能需求，如人们通过对多孔碳材料进行氮掺杂来获得氮掺杂的多孔碳，发现改性后的材料在催化氧还原性能方面有了很大提升。但是，这些制备方法往往伴随着高压、高温等特定的反应条件，昂贵的合成设备以及工艺的繁琐等问题。因此，探索低廉、简单和可扩大生成工艺来制备氮掺杂多孔碳材料具有重要意义。

发明内容

基于此，本发明的目的在于提供一种利用燃烧反应合成氮掺杂多孔碳材料的制备方法，以提升其氧还原催化性能，该氮掺杂多孔碳可作为燃料电池阴极电催化剂。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用燃烧反应合成氮掺杂多孔碳材料的制备方法，利用“燃烧反应”和氨气氛围下的高温热解反应相结合制备而得；

包括以下步骤：

a)利用“燃烧反应”，即点燃蔗糖、碳酸氢钠和无水乙醇三者混合物获得多孔碳泡沫；

b)将所述的多孔碳泡沫依次进行水洗、酸洗和水洗以除去残留的碳酸钠和碳酸氢钠；

c)将所述去除杂质后的多孔碳泡沫进行冷冻干燥处理得到干燥的多孔碳泡沫；

d)将所述干燥的多孔碳泡沫置于管式炉中，在氨气氛围下高温热解得到氮掺杂多孔碳材料。

优选的，步骤a) 中所述的“燃烧反应”具体方案为：

首先，分别称取和量取100 g 蔗糖，24 g 碳酸氢钠和40 mL 无水乙醇置于250 mL 烧杯中，用玻璃棒搅拌均匀，将三者的混合物倒入100 mL 小烧杯中，用打火机将其点燃，一段时间后，多孔碳泡沫便会形成。

优选的，步骤b) 中所述的水洗和酸洗分别是使用去离子水和盐酸，所述盐酸浓度为36.0-38.0 %。

优选的，步骤c) 中所述的冷冻干燥时间为2天。

优选的，步骤d) 中高温热解程序为：

以4-5℃/min 的升温速率升温至800-1000℃，恒温2小时，然后以5-6℃/min 的降温速率降至室温，得到氮掺杂多孔碳材料；

所述的高温热解的氮源为氨气，器皿为瓷舟。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

本发明以常见的蔗糖、小苏打和无水乙醇为原料，采用新颖的燃烧法来构筑多孔碳泡沫，结合在氨气氛围下的高温热解反应制备氮掺杂多孔碳。制备的产品具有明显的多孔结构和大的比表面积以及氮掺杂，并且在催化氧还原过程中其催化性能有了明显提升，具有广阔的应用前景，如燃料电池电催化剂、锂离子电池和超级电容器等领域。另外，该方法同时具有简单、低廉和可放大生产等特点。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的氮掺杂多孔碳材料的扫描电镜图片；

图2为本发明实施例1制备的氮掺杂多孔碳材料的X射线光电子能谱图；