[发明专利]一种负载有过渡金属氧化物的多孔碳材料、其制备方法及应用

说明书

本发明公开一种负载有过渡金属氧化物的多孔碳材料、其制备方法及应用，属于碳纳米材料技术领域。本发明所述负载有过渡金属氧化物的复合碳材料，具有分级孔结构，是由碳源、活化剂和过渡金属盐按一定比例混合后充分反应，并经高温煅烧处理制备而成。该复合碳材料可作为电极材料，用于制备电极，并能够对含有顺式二羟基的生物分子进行特异性识别和检测。

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种负载有过渡金属氧化物的多孔碳材料、其制备方法及应用。

背景技术

电极材料是决定电化学性能的主要因素，多孔碳材料由于具有较高的比表面积、优异的电子传导性、较高的化学稳定性、较宽的工作温度范围、较宽的工作电位范围和相对较低的成本等优点被广泛应用于电化学传感、储能、电池等领域。目前，具有分级孔结构的多孔碳材料的研究主要集中在制备具有较高比表面积、合理孔径分布和较小内阻的多孔碳材料。电极材料的电化学性能是材料孔道结构和表面化学组成等几个因素综合作用的结果。其中，微孔和介孔结构对多孔碳材料的电化学性能起重要作用，具有多孔结构的碳材料为电解液离子的传输提供通道，支配着电解液扩散的速度；同时，有利于活性物质的均匀负载，因此是一种良好的电极材料载体。

目前，制备分级多孔骨架的方法主要包括硬模板法、软模版法和高温强碱活化法等。由于硬模板法需要外加酸性试剂除去，生产过程繁琐，同时消耗大量的酸性试剂，价格昂贵，不符合绿色发展理念。而软模版的成本较高，对于原料和模板的要求严格，无法实现工业化量产。采用强碱直接活化的方式制备的多孔炭虽然过程简单，但对于设备要求较高，同时强碱具有较强的腐蚀性，同时需要引入酸性试剂去除活性剂，操作复杂，进一步增加了生产操作成本。因此，亟待寻找一种方法简单、成本低廉的方法，用于制备分级孔结构的多孔碳材料。

目前发展研究新型高效稳定，造价低廉可以大规模广泛应用的电催化剂是核心研究方向。沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，其具有价格低廉、残碳率高、流动性好的特点，是一种优质的炭素材料的原料。过渡金属氧化物由于储量丰富，易于合成以及成本低廉，环境友好的特点而成为关注热点。过渡金属(如Fe，Co，Ni，Cu)等具有多种化合态，可以两种或者多种以上元素结合成为复杂的氧化物，其多种化合价态及可以形成的丰富结构为电催化提供了条件。但作为催化剂使用时在导电性及分散性等方面仍有很大的提升空间。因此，多孔碳材料作为电催化功能材料有效的修饰载体，与过渡金属氧化物结合，可以实现不同材料电化学性能的协同增强。同时，多孔碳材料在过渡金属氧化物导电通路方面起着至关重要的作用，可有效降低电荷扩散阻力，扩大过渡金属氧化物与电解质溶液的接触面积，有利于电催化活性的提高。

发明内容

本发明提供一种负载有过渡金属氧化物的多孔碳材料，该碳材料具有分级孔结构，其制备方法如下：

按质量比1:1～5:0.5～3将碳源、活化剂和过渡金属盐混合，溶于有机溶剂中，80～100℃条件下充分搅拌，蒸干溶剂，得到灰黑色固体；将灰黑色固体置于惰性气体中，控制升温速率为3～10℃/min，升至500～1000℃，进行高温煅烧处理，煅烧时间为1～5h，得到黑色固体；将黑色固体进行洗涤，过滤以及真空干燥，获得具有分级孔结构的复合碳材料。

上述制备方法中，碳源选自煤沥青、石油沥青、湖沥青、岩沥青中的一种或几种。碳源在有机溶剂中的溶解度为5～300g/L。

上述制备方法中，活化剂为可溶性氯化盐，选自氯化钠、氯化钾、氯化锂以及氯化钙中的一种或几种。

上述制备方法中，过渡金属盐选自碱式碳酸铜、碱式碳酸锌、碱式碳酸镍、碳酸铁、碱式碳酸钴、碳酸钴、碳酸铜、碳酸锌以及碳酸镍中的一种或几种。

上述制备方法中，有机溶剂选自氮甲基吡咯烷酮、二甲苯、四氯化碳以及四氢呋喃中的一种或几种。

上述制备方法中，惰性气体选自氮气或氩气。