專利名稱：一種氮摻雜碳材料的制備方法
技術領域：
本發明涉及氮摻雜碳材料的制備方法。
背景技術：
高溫熱解含氮前軀體是獲得氮摻雜碳材料最便捷的方法之一。同時研究表明氮摻雜量與氮摻雜碳材料的性能有直接的關系。吡啶、咪唑、乙二胺及酞菁等含氮碳水化合物已被用作前軀體高溫熱解制備氮摻雜碳材料，但受到前軀體中氮含量的制約，所制備的氮摻雜碳材料氮摻雜量均不高，從而影響其最終性能。
發明內容
本發明的目的是提供一種氮摻雜碳材料制備方法。本發明是一種氮摻雜碳材料制備方法，其步驟為(I)取2 5g蔗糖，加40 80mL濃度高于12%的氨水溶解，置于帶有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中；(2)將上述⑴中反應釜于溫度160 200°C下，加熱8 24小時，冷卻后過濾，
真空干燥，獲得前軀體；(3)將上述(2)中前軀體以5 10°C /min速率升溫至600 900°C，保溫I 4小時；(4)將上述(3)中產物自然冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料；(5)上述(3)和(4)中所描述過程是在惰性氣氛保護下進行的，氣體流量50 10OmT ,/mi η η本發明具有如下優點I、以蔗糖為碳源，屬可再生資源。2、以氨水為氮源，屬大宗工業原料，原料易購。3、通過蔗糖和氨水在水熱條件下發生氨基化反應制備前軀體。其反應條件溫和，無需高溫高壓等極端條件；所制備前軀體氮含量高；通過調節反應條件，可以獲得不同氮含量的前軀體；反應過程不產生對環境有害的廢氣、廢液，綠色環保。4、氮摻雜量易控。可通過控制前軀體制備條件和煅燒溫度，獲得摻雜量在17.8% -3. 6%范圍內的氮摻雜碳材料。
圖I是所制備氮摻雜碳材料的SEM圖，圖2是所制備前軀體和氮摻雜碳材料的NlsXPS 圖。
具體實施例方式本發明是一種氮摻雜碳材料制備方法，其步驟為
(I)取2 5g蔗糖，加40 80mL濃度高于12%的氨水溶解，置于帶有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中；(2)將上述⑴中反應釜于溫度160 200°C下，加熱8 24小時，冷卻后過濾，
真空干燥，獲得前軀體；(3)將上述(2)中前軀體以5 10°C /min速率升溫至600 900°C，保溫I 4小時；
(4)將上述(3)中產物自然冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料；(5)上述(3)和(4)中所描述過程是在惰性氣氛保護下進行的，氣體流量50 10OmT ,/mi η η以上所述的惰性氣氛是氮氣。上述方法獲得的氮摻雜碳材料氮含量為3. 6% 17. 8%。下面用更為具體的實施例進一步展開本發明。取5g蔗糖，溶解于SOmL 30%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于200°C下反應24小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量20. 5%，如圖2所示，氮原子主要通過氨基存在于前軀體中。前軀體在50mL/min氮氣流中，以5°C /min速率升溫至600°C，保溫2小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量17.8%。如圖I所示，所獲得氮摻雜碳材料呈薄片狀，片層厚度約200nm;如圖2所示，氮原子主要通過類石墨和類吡啶結構摻雜于石墨碳分子網絡。實施例2 取4g蔗糖，溶解于60mL 30%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于200°C下反應16小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量19. 6%。前軀體在IOOmL/min氮氣流中，以10°C /min速率升溫至800°C，保溫I小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量12. 7%。實施例3 取3g蔗糖，溶解于60mL 24%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于200°C下反應8小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量17.0%。前軀體在60mL/min氮氣流中，以5°C /min速率升溫至700°C，保溫3小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量14. 2%。實施例4 取2g蔗糖，溶解于SOmL 24%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于160°C下反應24小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量18.4%。前軀體在SOmL/min氮氣流中，以10°C /min速率升溫至800°C，保溫I小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量10. 3%。實施例5 取5g蔗糖，溶解于SOmL 18%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于160°C下反應16小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量17. 8%。前軀體在IOOmL/min氮氣流中，以5°C /min速率升溫至700°C，保溫4小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量8. 4%。實施例6
取4g蔗糖，溶解于40mL 18%氨水，將溶液置于具有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中，于160°C下反應8小時，過濾，洗滌，獲得前軀體，其氮含量16.4%。前軀體在SOmL/min氮氣流中，以10°C /min速率升溫至900°C，保溫2小時，在氮氣氛保護下冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料，其氮含量3. 6%。
本發明以蔗糖為碳源，氨水為氮源，結合水熱碳化技術，制備具有高氮含量的前軀體，經煅燒后獲得具有高摻雜量的氮摻雜碳材料，并且其摻雜量可通過改變前軀體的制備條件和煅燒溫度加以控制。蔗糖和氨水在水熱條件下發生氨基化反應，蔗糖分子中的部分羥基被氨基取代，從而形成含有豐富含氮基團的前軀體。在煅燒過程中，這類含氮基團發生分解和重排，從而進入碳分子網絡，最終形成氮摻雜碳材料。氮原子主要通過類石墨結構和類吡啶結構分布于碳分子網絡中。該法所采用原料均為大宗工農業產品，原料易得，同時具有綠色環保、制備方法簡單等優點。所制備的氮摻雜碳材料在貴金屬富集、催化和催化劑負載、超級電容器、電化學傳感器等領域具有潛在的用途。
權利要求
1.一種氮摻雜碳材料的制備方法，其步驟為 (1)取2 5g蔗糖，加40 SOmL濃度高于12%的氨水溶解，置于帶有聚四氟乙烯內襯的水熱反應釜中； (2)將上述(I)中反應釜于溫度160 200°C下，加熱8 24小時，冷卻后過濾，真空干燥，獲得前軀體；(3)將上述⑵中前軀體以5 10°C/min速率升溫至600 900°C，保溫I 4小時； (4)將上述(3)中產物自然冷卻至室溫，研磨，即獲得氮摻雜碳材料； (5)上述(3)和(4)中所述過程是在惰性氣氛保護下進行的，氣體流量50 IOOmL/min。
2.根據權利要求I所述的氮摻雜碳材料的制備方法，其特征在于惰性氣氛是氮氣。
3.根據權利要求I所述的氮摻雜碳材料的制備方法，其特征在于獲得的氮摻雜碳材料氮含量為3. 6% 17. 8%。
全文摘要
一種氮摻雜碳材料的制備方法，所制備氮摻雜碳材料在儲氫、燃料電池、生物傳感器及超級電容器等方面具有潛在用途，該方法以蔗糖為碳源，氨水為氮源，經水熱碳化和在惰性氣氛中煅燒等簡單步驟制備氮摻雜碳材料。水熱溫度160～200℃，氨水濃度高于12％，碳化溫度600～900℃。可通過調節水熱碳化條件和煅燒溫度在17.8％～3.6％范圍內控制氮摻雜量。所制備氮摻雜碳材料呈薄片狀，片層厚度約200nm，氮原子主要通過類石墨和類吡啶結構摻雜于石墨碳分子網絡。
文檔編號C01B31/02GK102627268SQ20111029018
公開日2012年8月8日 申請日期2011年9月28日 優先權日2011年9月28日
發明者馮輝霞, 張德懿, 郝遠, 馬穎 申請人:蘭州理工大學