CN107857249A - 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,属于材料科学领域。该方法首先将含氮聚合物包覆在环状C3N4模板上,随后对其进行高温煅烧,高温使C3N4分解,产生大量含氮气体,可作为造孔剂和氮源,同时聚合物碳化得到氮掺杂环状空心纳米炭材料。该材料结构独特、具有高氮含量,在超级电容器、锂离子电池、电化学催化剂等方面具有广阔的应用前景。该方法具有操作简便、容易工业化生产、且对环境污染小的特点,是一种重要的氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法。
Description
技术领域
本发明属于材料科学技术领域,尤其涉及一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法。
背景技术
炭材料由于热稳定性好、机械稳定性高、孔隙结构发达、导电性优异、比表面积大等特点,在分离、吸附、催化、气体存储及能源存储与转化等领域显示出巨大的应用潜力。材料的性能主要由其组成与结构决定,其中结构对于纳米材料更为重要。目前,人们已经合成出形貌各异的纳米炭材料,如零维富勒烯、一维碳纳米管、二维片状石墨烯、及各种三维组装体等碳纳米结构,通过模板法还可控制合成纳米碳片、有序介孔炭、空心碳壳等等,但闭合环状结构的碳材料迄今未见报道。目前仅见报道的环状纳米材料有:纳米环状-Fe2O3[Xianluo Hu,et al.Advanced Materials,2007,19(17):2324]、Au纳米环[Yan Feng,etal.Nano Letters,2004,4(7):1193]和TiO2纳米环[Sun Fengqiang,et al.Chemistry ofMaterials,2006,18(16):3774],但合成过程步骤繁杂,产量极低。空心环状纳米结构介于一维和二维材料之间,由于结构独特,内、外表面可以同时利用,比表面积大,可望赋予材料卓越性能。
此外,杂原子掺杂是进一步提高炭材料性能的重要手段。尤其是氮原子,可掺杂到炭骨架中,调控其物理化学性质,从而强化多孔炭材料功能,甚至赋予炭材料新的功能。研究表明,在炭骨架中引入氮原子后,氮原子中孤对电子可赋予sp2杂化炭骨架中离域π***负电荷,从而增强炭材料的导电性[Kurak K.A.,et al.Journal of Physical ChemistryC,2009,(113):6730];掺杂富电子的氮原子可调控炭材料的能带结构,使炭材料的价带降低,增加炭材料费米能级上的电子密度及增强其化学稳定性[Kim D.P.,et al.Chemistryof Materials,1991,(3):686]。一般地,通过对碳材料进行后处理或者直接热解含氮前驱体对碳材料进行氮掺杂。但后处理掺氮法(如氨气高温热处理)引入的氮元素含量目前文献报道的最大值不超过10wt.%,而且形成的含氮官能团一般不稳定,主要分布在碳材料表面,这种表面功能化不能改变大部分的碳骨架属性。而基于模板辅助的直接热解含氮前驱体法,不仅可以制备均一孔径的多孔碳材料,同时可实现高含量氮元素体相掺杂。常用的模板剂包括硬模板(如微/纳米硅球、介孔硅、泡沫镍、氧化镁等)和软模板(如三嵌段共聚物),采用的富氮前驱体有各种聚合物如聚丙烯腈、聚吡咯、三聚氰胺等,但模板的去除步骤比较繁杂,所用试剂腐蚀性强(强酸或强碱刻蚀),若批量制备势必对环境造成危害。
因此,如何通过简便、绿色的方法,大批量合成新颖结构的环状空心纳米炭材料,成为一项巨大的挑战。本发明开发了自牺牲模板、原位掺杂氮元素的环状空心纳米炭材料的环境友好、高效制备技术,无疑可填补碳材料领域国际国内研究的空白。
发明内容
本发明提供了一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,首先将含氮聚合物包覆在环状C3N4的表面,随后对其进行高温煅烧处理,高温使C3N4分解,产生大量含氮气体,可作为造孔剂和氮源,简单高效得到氮掺杂环状空心纳米炭材料。
本发明的技术方案:
一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,步骤如下:
(1)将环状g-C3N4模板分散在溶剂中,搅拌并超声,得到模板溶液;
(2)将含氮聚合物单体加入模板溶液中,持续搅拌进行聚合及包覆反应,使含氮聚合物单体包覆在环状g-C3N4表面;
所述的含氮聚合物单体为多巴胺、苯胺或吡咯;
所述的含氮聚合物单体的浓度为0.5-8mg/mL;含氮聚合物单体与环状g-C3N4模板的质量比为1:1~1:4;
当所述的含氮聚合物单体为多巴胺时,聚合包覆反应过程中不再添加其它反应物;
当所述的含氮聚合物单体为苯胺或吡咯时,在加入苯胺或吡咯的同时,还要加入表面活性剂、酸和引发剂;所述的表面活性剂的浓度为不大于4mg/mL;所述的酸的浓度不大于3mg/mL;所述的引发剂的浓度不大于0.5mg/mL;
所述的聚合包覆反应温度为10-35℃,时间为2-96h;
(3)将聚合及包覆反应后的溶液离心,用水和乙醇清洗数次、干燥,得到聚合物包覆的环状g-C3N4;
(4)将聚合物包覆的环状g-C3N4置于管式炉中,在惰性气体保护下进行煅烧,煅烧过程中环状g-C3N4分解,同时聚合物热解聚合,煅烧后冷却至室温,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料。
所述的步骤(1)中环状g-C3N4模板采用化学气相沉积法制得,具体方法为:以三聚氰胺为原料、以纳米二氧化硅球为模板进行沉积反应,沉积产物经氢氟酸刻蚀,离心洗涤后经冷冻干燥得到环状g-C3N4模板。
所述的步骤(1)中溶剂为水、乙醇、***、乙腈、Tris缓冲液或磷酸盐缓冲溶液的一种或几种混合。
所述的步骤(1)中环状g-C3N4模板在溶剂中的浓度为1-8mg/mL,超声时间为10min-4h。
所述的步骤(2)中表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的一种或两种以上混合。
所述的步骤(2)中酸是盐酸、硫酸、植酸、硝酸中的一种或两种以上混合。
所述的步骤(2)中引发剂是Na2SO8、(NH4)2SO8、K2Cr2O7、KIO3、FeCl3、FeCl4、H2O2、Ce(SO4)2、AlCl3、MnO2、BPO(过氧化苯甲酰)中的一种或两种以上混合。
所述的步骤(3)中干燥温度为50-100℃,时间为12-36h。
所述的步骤(4)中惰性气体是氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上混合。
所述的步骤(4)中煅烧升温速率为2-10℃/min,温度为500-1000℃,时间为1-3h。
所述的掺杂环状空心纳米炭材料具有高含氮量、结构独特等特点,在超级电容器、锂离子电池、电化学催化剂等方面具有潜在的广阔应用前景。
本发明的有益效果:
1.模板对环境友好,无污染;
2.在炭化的同时除去模板,工艺简单;
3.制备的氮掺杂环状空心纳米炭材料其厚度可由模板与聚合物单体的比例或聚合时间控制;
4.模板分解时产生大量含氮气体可作为造孔剂和氮源;
5.制备的氮掺杂环状空心纳米炭材料氮含量经元素分析,其氮含量高达10wt.%左右。
附图说明
图1为氮掺杂环状空心纳米炭材料制备流程图。
图2为现有技术制备得到的环状g-C3N4模板的扫描电子显微镜。
图3为实施例1所制备的多巴胺衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料(标记为PDA-N-CNRs-3)的扫描电子显微镜照片。
图4为实施例1所制备的多巴胺衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料(标记为PDA-N-CNRs-3)的透射电子显微镜照片。
图5为实施例2所制备的多巴胺衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料(标记为PDA-N-CNRs-1)的透射电子显微镜照片。
图6为实施例3所制备的苯胺衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料(标记为PANI-N-CNRs-0.357)的扫描电子显微镜照片。
图7为实施例4所制备的吡咯衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料(标记为PPy-N-CNRs-0.338)的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案,进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明中氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备流程示意图,具体制备过程如下所述:
实施例1:
将100mg环状g-C3N4分散在50mL Tris缓冲液中(pH=8.5),超声20分钟,得到浓度为2mg/mL的环状g-C3N4悬浊液。将300mg多巴胺加入上述液体中。室温下搅拌12h后,离心,分别用水和乙醇清洗数次。60℃干燥36h后,将表面包覆聚多巴胺的环状g-C3N4置于刚玉舟内,在管式炉中氩气气氛下,以5℃/min的升温速率,升温至800℃,恒温1h,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料(产物标记为PDA-N-CNRs-3)。图2所示为环状g-C3N4的扫描电镜照片,呈现环状结构、尺寸均一。图3展示了所得氮掺杂环状空心纳米炭材料在低倍数下的扫描电镜照片,可以看出其复制了模板的形貌,为尺度均一的环状结构。进一步从图4所展示的PDA-N-CNRs-3样品的高倍数扫描电镜照片可以看出,其为空心结构,空心内环直径约80nm,外环直径约140nm,壁厚约6.6nm。
实施例2:
将100mg环状g-C3N4分散在50mL Tris缓冲液中(pH=8.5),超声10分钟,得到浓度为2mg/mL的环状g-C3N4悬浊液。将100mg多巴胺加入上述液体中。室温下搅拌12h后,离心,分别用水和乙醇清洗数次。80℃干燥24h后,将表面包覆聚多巴胺的环状g-C3N4置于刚玉舟内,在管式炉中氮气气氛下,以10℃/min的升温速率,升温至800℃,恒温1h,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料(产物标记为PDA-N-CNRs-1)。从图5所展示的PDA-N-CNRs-1样品的高倍数扫描电镜照片可以看出,其为空心结构,空心内环直径约100nm,外环直径约140nm,壁厚约3.7nm。
实施例3:
将100mg环状g-C3N4和5mg十二烷基苯磺酸钠加入到40mL水中,搅拌并超声4h,得到浓度为2.5mg/mL的环状g-C3N4悬浊液。之后分别将35μL苯胺、0.25mL植酸(25%)、110mg过硫酸铵加入上述液体中。室温下搅拌2h后,离心,分别用水和乙醇清洗数次。100℃干燥12h后,将表面包覆聚苯胺的环状g-C3N4置于刚玉舟内,在管式炉中氩气气氛下,以5℃/min的升温速率,升温至600℃,恒温2h,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料(产物标记为PANI-N-CNRs-0.357)。图6所示为聚苯胺衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料PANI-N-CNRs-0.357样品的扫描电镜图像,可以看出其复制了模板的形貌,保持尺寸均一的环状空心结构。
实施例4:
将100mg环状g-C3N4和5mg十二烷基苯磺酸钠加入到40mL水中,搅拌并超声2h,得到浓度为2.5mg/mL的环状g-C3N4悬浊液。之后分别将35μL吡咯、1mL盐酸(0.1mol/L)、110mg过硫酸铵加入上述液体中。室温下搅拌2h后,离心,分别用水和乙醇清洗数次。100℃干燥12h后,将表面包覆聚吡咯的环状g-C3N4置于刚玉舟内,在管式炉中氦气气氛下,以2℃/min的升温速率,升温至900℃,恒温1h,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料(产物标记为PPy-N-CNRs-0.338)。图7所示为聚吡咯衍生的氮掺杂环状空心纳米炭材料PPy-N-CNRs-0.338样品的扫描电镜照片,可以看出其复制了模板的形貌,保持尺寸均一的环状空心结构。
Claims (9)
1.一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,步骤如下:
(1)将环状g-C3N4模板分散在溶剂中,搅拌并超声,得到模板溶液;
所述的环状g-C3N4模板在溶剂中的浓度为1-8mg/mL,超声时间为10min-4h;
(2)将含氮聚合物单体加入模板溶液中,持续搅拌进行聚合及包覆反应,使含氮聚合物单体包覆在环状g-C3N4表面;
所述的含氮聚合物单体为多巴胺、苯胺或吡咯;
所述的含氮聚合物单体的浓度为0.5-8mg/mL;含氮聚合物单体与环状g-C3N4模板的质量比为1:1~1:4;
当所述的含氮聚合物单体为多巴胺时,聚合包覆反应过程中不再添加其它反应物;
当所述的含氮聚合物单体为苯胺或吡咯时,在加入苯胺或吡咯的同时,还要加入表面活性剂、酸和引发剂;所述的表面活性剂的浓度为不大于4mg/mL;所述的酸的浓度不大于3mg/mL;所述的引发剂的浓度不大于0.5mg/mL;
所述的聚合包覆反应温度为10-35℃,时间为2-96h;
(3)将聚合及包覆反应后的溶液离心,用水和乙醇清洗数次、干燥,得到聚合物包覆的环状g-C3N4;
(4)将聚合物包覆的环状g-C3N4置于管式炉中,在惰性气体保护下进行煅烧,煅烧过程中环状g-C3N4分解,同时聚合物热解聚合,煅烧后冷却至室温,得到氮掺杂环状空心纳米炭材料;
所述的煅烧升温速率为2-10℃/min,温度为500-1000℃,时间为1-3h。
2.根据权利要求1所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(1)中环状g-C3N4模板采用化学气相沉积法制得,具体方法为:以三聚氰胺为原料、以纳米二氧化硅球为模板进行沉积反应,沉积产物经氢氟酸刻蚀,离心洗涤后经冷冻干燥得到环状g-C3N4模板;所述的步骤(1)中溶剂为水、乙醇、***、乙腈、Tris缓冲液或磷酸盐缓冲溶液的一种或两种以上混合。
3.根据权利要求1或2所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(2)中表面活性剂是十二烷基苯磺酸钠、十六烷基三甲基溴化铵、十二烷基硫酸钠和聚乙烯吡咯烷酮中的一种或两种以上混合;所述的酸是盐酸、硫酸、植酸、硝酸中的一种或两种以上混合;所述的引发剂是Na2SO8、(NH4)2SO8、K2Cr2O7、KIO3、FeCl3、FeCl4、H2O2、Ce(SO4)2、AlCl3、MnO2、过氧化苯甲酰中的一种或两种以上混合。
4.根据权利要求1或2所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(3)中干燥温度为50-100℃,时间为12-36h。
5.根据权利要求3所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(3)中干燥温度为50-100℃,时间为12-36h。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(4)中惰性气体是氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上混合。
7.根据权利要求3所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(4)中惰性气体是氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上混合。
8.根据权利要求4所述的一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法,其特征在于,所述的步骤(4)中惰性气体是氮气、氩气、氦气中的一种或两种以上混合。
9.权利要求1-8任一一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法得到的氮掺杂环状空心纳米炭材料应用于超级电容器、锂离子电池、电化学催化剂。
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