[发明专利]利用壳聚糖质子型聚离子液体为前驱体制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用

说明书

本发明公开了一种利用壳聚糖质子型聚离子液体为前驱体制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用。本发明基于壳聚糖分子结构中氨基的存在，利用氨基与不同结构的羧酸功能化离子液体反应，制备一系列的壳聚糖质子型聚离子液体，反应温和，可以很简单方便的通过有机碱的结构调控来调节壳聚糖质子型聚离子液体的结构，达到调控氮掺杂多孔碳材料及其前驱体中氮含量及氮种类的目的，从分子水平对壳聚糖进行了原位掺氮，解决了碳源与氮源不可控的关键问题，进而实现了制备含氮碳材料的高值化利用，成功将壳聚糖基含氮碳材料单独作为电极材料，并成功应用于储能领域。

技术领域

本发明涉及材料技术领域，具体为一种利用壳聚糖质子型聚离子液体为前驱体制备氮掺杂多孔碳材料的方法及应用。

背景技术

碳材料因其优异的导电性、可控的孔径分布及低成本等优点被广泛应用于电极材料，但碳材料表面官能团数量和种类较少、生物相容性差、反应活性低以及亲水性较小等缺点在一定程度上限制了其在电化学领域的应用。研究表明，氮原子的掺入能够有效的优化碳材料的化学性能、结构和形态，从而增强多孔碳材料的化学反应活性。离子液体因其结构与性质的可设计性高而广泛作为含氮碳材料制备的前驱体，但离子液体价格过高限制了其在电化学方向的应用。(a)J.Wei,D.D.Zhou,Z.K.Sun,Y.H.Deng,Y.Y.Xia and D.Y.Zhao,Advanced Functional Materials,2013,23,2322-2328.；b)J.P.Paraknowitsch,J.Zhang,D.Su,A.Thomas and M.Antonietti,Advanced Materials,2010,22,87-92.；c)M.Inagaki,M.Toyoda,Y.Soneda and T.Morishita,Carbon,2018,132,104-140.；d)C.Falco,M.Sevilla,R.J.White,R.Rothe and M.M.Titirici,ChemSusChem,2012,5,1834-1840.)。羧基功能化离子液体是离子液体家族中一类重要的离子液体，具有易制备，价格便宜等特点。同时，基于功能性基团羧基的存在，羧基功能化离子液体基于羧基的弱酸性在催化等领域具有广泛的应用。生物基材料因其来源广、储量丰富、价格低廉、生物可再生性等特点被应用于碳材料的制备。壳聚糖作为自然界中广泛存在的生物基天然高分子，因其具有丰富的官能团而被广泛应用作为含氮碳材料的前驱体，近年来，研究者对壳聚糖作为碳源或氮源制备含氮碳材料做了大量研究，证实壳聚糖可以制备高性能碳材料(一种基于壳聚糖及其衍生物多孔碳电极材料及其制备方法和用途-中国专利–104085877A)，但基于对大量研究工作的总结，壳聚糖制备碳材料仍存在以下问题：

(1)比表面积作为提升碳材料的重要衡量标准，通过活化剂活化后，比表面积仍然过低，一般为1000m²/g-2500m²/g(a)X.Deng,B.T.Zhao,L.Zhu and Z.P.Shao,Carbon,2015,93,48-58.；b)P.Hao,Z.Zhao,Y.Leng,J.Tian,Y.Sang,R.I.Boughton,C.P.Wong,H.Liu andB.Yang,Nano Energy,2015,15,9-23.c)Z.Linfeng,S.Feng,S.R.L.and Q.Xinhua,EnergyTechnology,2017,5,452-460.)。