[发明专利]犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料及其制备方法

说明书

本发明属于无机材料合成领域，具体涉及一种犁沟式大孔管状构造的C‑O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料及其制备方法。本发明以天然金盏菊成熟花瓣为原料，通过原位碳化的方法得到具有犁沟式大孔管状构造的C‑O,N,P,S四掺杂纳米超结构。通过控制碳化温度、碳化时间和添加剂量，可以得到不同比表面积和孔分布的四元素掺杂超结构碳。这种首次制备的犁沟式大孔管状构造的四杂原子掺杂纳米超结构碳兼具多级孔结构和多重杂原子掺杂，在分离、吸附、储能、催化和生物工程等诸多方面具有广阔的应用前景。本发明具有原料来源丰富、价格低廉，制备过程绿色、简单、易控、产率较高的特点。

技术领域

本发明属于无机材料合成领域，尤其是涉及一种犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料及其制备方法。

背景技术

碳材料具有丰富的形貌、可调的孔结构、易掺杂、良好的热稳定性及优异的化学稳定性等特征，在储氢、电化学储能、催化、气体分离等领域得到广泛应用。其中，分级多孔碳是一类具有不同比例的大孔-介孔-微孔多级孔道的材料，它们不同尺寸的孔道在应用中可以发挥各自不同的功能作用，而得到了日益增长的关注和研究。以碳材料在电化学储能中的应用为例，大孔可以暂存电解液，缩短离子扩散路径；介孔为电解液离子的扩散提供了大量通道，利于其快速扩散至活性位点；微孔提供了大量的吸附位点提高了电化学储能性能。

目前这种分级多孔碳的合成主要是通过模板法，常用的模板包括多级孔道硅、聚苯乙烯球、聚氨酯泡沫、泡沫镍等。它们的制备通常是通过碳源在模板的空隙或者表面聚合生长复制模板的结构，再进行去除模板，进一步碳化等后处理操作，得到具有分级多孔结构的碳材料。这种合成过程繁琐，成本较高，效率较低且难以大批量稳定合成。使用生物质转化制备的方法也可以得到碳材料，但是绝大部分获得的碳材料通常很难兼具大孔、介孔、微孔的孔结构，更不用说这些孔结构的定向排列和组装了。此外，有些生物质转化碳材料也可以通过前驱体中的杂原子组分继承获得杂原子掺杂结构的产物，但迄今为止，还未见在不添加掺杂剂的情况下直接获得四种杂原子掺杂的超结构碳。

发明内容

本发明的目的是开发一种犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料，同时也提供一种过程简单，绿色环保，成本低廉且产率较高的制备方法。

技术方案一

一种犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料，其特征在于，该材料是具有O,N,P,S四种杂原子掺杂的碳材料，微观结构为犁沟式大孔管状构造，具有可控的比表面积和孔径分布。

技术方案二

一种犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)将一定量的生物质前驱体在冷冻干燥机中冷冻干燥。

(2)将冷冻干燥后的生物质前驱体在惰性气氛中(氮气或氩气)以缓慢速度升温105℃保留0.5h，随后继续升温至预碳化温度并保留一定时间进行结构定形。

(3)将预碳化产物与不同质量的KOH溶解于水中混合均匀并干燥。

(4)将步骤(3)中的混合产物在惰性气氛中(氮气或氩气)升温至碳化温度并保留一定时间，待冷却至室温后，经洗涤干燥得到犁沟式大孔管状构造的C-O,N,P,S四掺杂纳米超结构材料。

优选的，步骤(1)中所述的生物质前驱体为成熟的金盏菊花瓣。

优选的，步骤(2)中的升温速度为0.5～2℃/min，预碳化温度为300-400℃，保温时间为1-3h。

优选的，步骤(4)中的碳化温度为700-1000℃，保温时间为1-4h。

与现有技术相比，本发明具有以下优点及有益效果：