[发明专利]一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用，涉及多孔碳材料制备技术领域。本发明提供的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合，进行干燥，得到混合固体粉末；在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料。本发明以甘蔗糖蜜为碳源，掺杂过渡金属制备多孔碳材料，经刻蚀液刻蚀后，得到孔隙结构发达，孔容量大、比表面积高、比电容高和电化学性能稳定的过渡金属掺杂多孔碳材料。本发明提供的制备方法无需使用活性剂在高温条件下造孔，操作简便，耗能少，绿色经济。

技术领域

本发明涉及多孔碳材料制备技术领域，特别涉及一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

近几年，工业发展成为区域经济发展的重要引擎，但同时工业生产过程中产生的废弃物也成为加剧生态环境恶化的主要诱因，与当今时代的绿色发展理念相悖。因此，解决废弃资源的再循环利用这一难题至关重要。甘蔗糖蜜是制糖工业的废弃物，是制糖工业将甘蔗压榨成甘蔗汁液后经加热、中和、沉淀、过滤、浓缩、结晶等多道复杂工序制糖后所剩下的一种黑棕色的，有甜味的，浓稠的，呈半流动性的液体，俗称糖稀。目前甘蔗糖蜜主要用在发酵领域，但是仍面临着一些难题，如工艺复杂成本高，生产过程可能会带来二次污染等问题。

在现有技术中，如“韩雪,邹博,顾小雪,et al.糖蜜基多孔碳球电极材料的制备及应用[J].高等学校化学学报(6):1135-1139.”，公开了以工业制糖的副产物糖蜜为新型碳源，替代传统多孔碳生产原料，制备出性能优异的多孔碳球超级电容器电极材料。“郭玉鹏,韩雪,邹博,et al.由糖蜜制备高性能碳材料的方法.”公开了将糖蜜作为原料制备碳材料。但上述方法均在制备过程中使用活化剂如碱类物质(如KOH)或盐类物质(如K₂CO₃)在高温条件下造孔，既耗能又腐蚀设备，工序较为繁琐。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供了一种过渡金属掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明提供的制备方法无需使用活化剂在高温条件下造孔，操作简便，耗能少，绿色经济。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种过渡金属掺杂多孔碳材料的制备方法，不使用活化剂，包括以下步骤：

将甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的乙醇溶液混合加热后，进行干燥，得到混合固体粉末；

在惰性气氛下，将所述混合固体粉末进行碳化反应，得到碳化反应产物；

将所述碳化反应产物依次进行酸刻蚀、洗涤和干燥，得到过渡金属掺杂多孔碳材料；

所述碳化反应的温度为700～900℃，碳化反应的时间为1～2h。

优选地，升温至所述碳化反应的温度的升温速率为10～20℃/min。

优选地，所述甘蔗糖蜜和可溶性过渡金属盐的质量比为200:(1～20)。

优选地，所述可溶性过渡金属盐中的过渡金属元素包括钴、铁、镍或锰。

优选地，所述酸刻蚀的刻蚀液为盐酸、硫酸或硝酸。

根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述刻蚀液的摩尔浓度为1～2mol/L。

优选地，所述酸刻蚀的时间为0.5～1h。

优选地，所述加热的温度为80～90℃，加热的时间为2～3h。

本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制得的过渡金属掺杂多孔碳材料，所述过渡金属掺杂多孔碳材料的孔隙率为27.52％～43.88％，所述过渡金属的掺杂量为0.73％～5.84％。