[发明专利]一种基于植物蛋白的多杂原子掺杂介孔碳的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于植物蛋白的多杂原子掺杂介孔碳的制备方法，包括以下步骤：(1)以植物蛋白为碳源和氮源、以含金属化合物溶液为凝胶形成剂与金属掺杂剂，在常温条件下进行植物蛋白的凝沉，制备蛋白凝胶。(2)干燥处理所得的蛋白凝胶，经高温惰性气氛下碳化工艺制备多原子掺杂的介孔碳。该方法制备的多原子掺杂介孔碳的杂原子掺杂百分比浓度达到10～20at.％，比表面积在70～380m²/g之间，平均孔径在4.7～13.8nm之间，孔体积0.03～0.15cm³/g。本发明的优点是工艺简单、原料易得、介孔碳制备中无需模板，制备的多杂原子掺杂介孔碳材料在储能器件、燃料电池、催化剂、污水处理剂、电磁屏蔽剂、传感器、以及储氢等方面均具有潜在的广泛应用前景。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域和催化技术领域，具体是指一种基于植物蛋白的多杂原子掺杂介孔碳的制备方法。

背景技术

人类社会可持续发展所面临的重要问题之一是开发和利用可再生能源，逐步摆脱传统化石类资源的束缚。能源的有效存储与利用是解决这一问题的关键。介孔碳是一种孔径介于2～50nm的多孔碳材料，其比表面积利用率高，结构可控性好，是重要的功能材料，在诸多领域，特别是能源领域，如超级电容器、燃料电池、锂离子电池等有着广泛应用。

现有技术中，制备介孔碳材料的方法，主要有硬模板法、软模板法、有机溶胶/凝

胶法和催化活化法等。硬模板法需要制备额外的模板剂，制备过程复杂、耗时、成本高。软模板法制备过程简单、容易对孔结构等进行调控，但是其骨架结构易于坍塌。溶胶-凝胶法制备过程中一般都要使用昂贵的超临界干燥设备，商业化困难。催化活化法，由于使用含金属的盐类，在最终得到的介孔碳中会有部分金属得以保留，从而易于实现金属原子对介孔碳的有效掺杂。

近期的研究表明[CHEMICAL SOCIETY REVIEWS，2018 47(8)2680—2721]，通过在碳材料中掺杂金属原子、非金属原子、以及它们的多种杂原子，可操控碳材料的结构，改善其表面活性和可润湿性，并增强和改善其能量存储和催化等性能，扩大其应用范围。因此，杂原子掺杂介孔碳材料是重要、有效调控介孔碳材料性能的手段之一。

生物质基介孔碳材料来自于可再生、可持续性和环境友好的生物质前躯体，受到越来越多的关注。例如：Wang Jian等[INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY，201641(25)10744—10754]利用香蕉皮制备了铁、钴、钡、氮多原子掺杂的介孔碳用作燃料电池中氧还原反应的催化剂。目前，国内外文献和专利尚未出现采用植物蛋白制备多杂原子掺杂介孔碳的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于植物蛋白的多杂原子掺杂介孔碳材料及其制备方法。

本发明是一种基于植物蛋白的多原子掺杂介孔碳材料及其制备方法，在惰性气氛下通过高温热解植物蛋白凝胶制备多原子掺杂介孔碳材料，制备过程不添加任何软、硬模板剂，其比表面积在70～380m²/g之间，平均孔径4.7～13.8nm，孔体积0.03～0.15cm³/g。掺杂的原子包括氮、磷、硫、氧，及相应的金属原子，如：铁、镍、钴、铜等，不限于上述列举原子，其中的一种或是它们任意的组合。

基于植物蛋白的多原子掺杂介孔碳材料的制备方法，其步骤为：

(1)将50～300g干黄豆置于1000mL烧杯中，用去离子水浸泡12小时以上；

(2)将上述(1)中浸泡的湿黄豆取出，擦干表面，取100～500g湿黄豆放入豆浆机中，加入1100mL去离子水，打磨豆浆，滤除豆渣；

(3)向上述(2)中得到的豆浆中，加入0.001M---饱和溶液的金属盐溶液，得到掺杂金属离子的豆蛋白凝胶；