[发明专利]一种元素掺杂三维多孔碳材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种元素掺杂三维多孔碳材料及其制备方法与应用。该材料为元素掺杂三维多孔碳结构；材料的掺杂元素包括N、P、S、B、Fe、Co、Ni。它的制备方法，包括如下步骤：1)聚丙烯腈偕胺肟化，得到聚丙烯基偕胺肟；2)在水中，聚丙烯基偕胺肟与待掺杂源进行相互作用，得到聚丙烯基偕胺肟‑待掺杂源复合材料；3)将聚丙烯基偕胺肟‑待掺杂源复合材料进行碳化，即得到元素掺杂三维多孔碳材料。本发明制备方法中无需模版和造孔剂，消除了模版和造孔剂的负面影响，绿色环保，且提高三维多孔碳的制备重复性，简化了制备流程，降低了制备成本。待掺杂元素与原料在分子尺度上复合，掺杂效率高，掺杂更均匀，所得三维多孔碳材料性能稳定。

技术领域

本发明涉及一种元素掺杂三维多孔碳材料及其制备方法与应用，属于多孔碳材料制备技术领域。

背景技术

三维多孔碳材料具有高比表面积、化学稳定性及良好的导电性，具有诸多的应用领域。在三维多孔碳材料中进行元素掺杂，引入金属(Fe、Co、Ni、Mn、Ti、W等)及非金属(B、N、P、S等)元素可以赋予三维多孔碳材料独特的电化学特性及物理特性，其可以广泛地应用于环境、能源、催化及军事等热门领域。

三维多孔碳的制备原料广泛，主要包括天然生物质(木质素、纤维素、甲壳素、蛋白质等)、有机高分子(聚苯胺、聚吡咯等)、各种煤及石油副产物(煤渣、煤灰、沥青等)。为了在三维多孔碳中获得更好的多孔性和更大的比表面积，在碳材料的制备过程中，往往需要在上述原料中加入模版(例如二氧化硅、聚苯乙烯小球等)或者造孔剂(氢氧化钠、氢氧化钾等)。在碳化完成后，需要后处理步骤来去除模版或者造孔剂。后处理过程工艺复杂，重复性不好，耗时耗力，且对三维多孔碳材料的性能具有负面影响。另外，在多孔碳中引入掺杂元素时，传统的方法是通过物理共混的方式来达到掺杂效果，该方式掺杂效率低，掺杂不均匀，使得碳材料的性能不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种元素掺杂三维多孔碳材料及其制备方法与应用，本发明制备方法中无需模版和造孔剂，消除了模版和造孔剂的负面影响，绿色环保，且提高三维多孔碳的制备重复性，简化了制备流程，降低了制备成本。待掺杂元素与原料在分子尺度上复合，掺杂效率高，掺杂更均匀，所得三维多孔碳材料性能稳定。

本发明提供的一种元素掺杂三维多孔碳材料，其特征在于：该材料为元素掺杂三维多孔碳结构；

所述材料的掺杂元素包括N、P、S、B、Fe、Co、Ni、Mn、Cu、Ti、W和Mo中的一种或几种。

上述的材料中，所述材料中碳的质量百分含量为50～99.9％，掺杂元素的质量百分含量可为0.01～50％。

所述材料中碳的质量百分含量具体可为89％、92％、89～92％或70～99％，掺杂元素的质量百分含量具体可为8％、11％、8～11％或1～30％；

具体地，掺杂元素具体包括N、Fe、O，质量百分含量分别可为4.5％、1.2％、5.3％；掺杂元素具体包括N、Co、O，质量百分含量分别可为3.5％、0.5％、4％。

上述的材料中，所述元素掺杂三维多孔碳结构的孔径分布可为100～1000nm，具体可为100～500nm、150～400nm，比表面积可为100～2000m^-2g^-1，具体可为673m^-2g^-1、729m^-2g^-1、600～800m^-2g^-1、600～800m^-2g^-1、500～1000m^-2g^-1或200～1500m^-2g^-1；

所述掺杂元素的化学组分形态为单原子掺杂、多原子团簇和晶相化合物中的一种或几种。