CN107857249A - 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 - Google Patents
一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN107857249A CN107857249A CN201711182393.2A CN201711182393A CN107857249A CN 107857249 A CN107857249 A CN 107857249A CN 201711182393 A CN201711182393 A CN 201711182393A CN 107857249 A CN107857249 A CN 107857249A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- nitrogen
- preparation
- carbon material
- doped
- template
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 18
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 title claims description 21
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 title claims description 20
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 claims abstract description 35
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 32
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims abstract description 23
- 229910021392 nanocarbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 22
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 21
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims abstract description 16
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims abstract description 3
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 claims description 24
- VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N dopamine Chemical compound NCCC1=CC=C(O)C(O)=C1 VYFYYTLLBUKUHU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 18
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N Pyrrole Chemical compound C=1C=CNC=1 KAESVJOAVNADME-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000000178 monomer Substances 0.000 claims description 15
- PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N Aniline Chemical compound NC1=CC=CC=C1 PAYRUJLWNCNPSJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 14
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 10
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 229960003638 dopamine Drugs 0.000 claims description 9
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 9
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 8
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 7
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 7
- WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N Acetonitrile Chemical compound CC#N WEVYAHXRMPXWCK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 6
- 239000003999 initiator Substances 0.000 claims description 6
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 6
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims description 6
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N Fluorane Chemical compound F KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 4
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 4
- GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N dodecyl benzenesulfonate;sodium Chemical group [Na].CCCCCCCCCCCCOS(=O)(=O)C1=CC=CC=C1 GVGUFUZHNYFZLC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229940080264 sodium dodecylbenzenesulfonate Drugs 0.000 claims description 4
- LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N tris Chemical compound OCC(N)(CO)CO LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000004342 Benzoyl peroxide Substances 0.000 claims description 3
- OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N Benzoylperoxide Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(=O)OOC(=O)C1=CC=CC=C1 OMPJBNCRMGITSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- IMQLKJBTEOYOSI-GPIVLXJGSA-N Inositol-hexakisphosphate Chemical compound OP(O)(=O)O[C@H]1[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H](OP(O)(O)=O)[C@H](OP(O)(O)=O)[C@H](OP(O)(O)=O)[C@@H]1OP(O)(O)=O IMQLKJBTEOYOSI-GPIVLXJGSA-N 0.000 claims description 3
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 claims description 3
- IMQLKJBTEOYOSI-UHFFFAOYSA-N Phytic acid Natural products OP(O)(=O)OC1C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C(OP(O)(O)=O)C1OP(O)(O)=O IMQLKJBTEOYOSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 235000019400 benzoyl peroxide Nutrition 0.000 claims description 3
- JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N melamine Chemical compound NC1=NC(N)=NC(N)=N1 JDSHMPZPIAZGSV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000467 phytic acid Substances 0.000 claims description 3
- 229940068041 phytic acid Drugs 0.000 claims description 3
- 235000002949 phytic acid Nutrition 0.000 claims description 3
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 claims description 3
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 claims description 3
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 claims description 3
- LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M Cetrimonium bromide Chemical compound [Br-].CCCCCCCCCCCCCCCC[N+](C)(C)C LZZYPRNAOMGNLH-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 125000002490 anilino group Chemical group [H]N(*)C1=C([H])C([H])=C([H])C([H])=C1[H] 0.000 claims description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 claims description 2
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 2
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 2
- 239000000376 reactant Substances 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 2
- 235000019333 sodium laurylsulphate Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000008363 phosphate buffer Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 4
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 abstract description 3
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 abstract 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 abstract 1
- ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N ammonium persulfate Chemical compound [NH4+].[NH4+].[O-]S(=O)(=O)OOS([O-])(=O)=O ROOXNKNUYICQNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010431 corundum Substances 0.000 description 4
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 4
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 description 4
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 4
- 229920000128 polypyrrole Polymers 0.000 description 3
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N Ammonia Chemical compound N QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003917 TEM image Methods 0.000 description 2
- 229910001870 ammonium persulfate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 239000002063 nanoring Substances 0.000 description 2
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 2
- 229920001690 polydopamine Polymers 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 description 2
- XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N C60 fullerene Chemical class C12=C3C(C4=C56)=C7C8=C5C5=C9C%10=C6C6=C4C1=C1C4=C6C6=C%10C%10=C9C9=C%11C5=C8C5=C8C7=C3C3=C7C2=C1C1=C2C4=C6C4=C%10C6=C9C9=C%11C5=C5C8=C3C3=C7C1=C1C2=C4C6=C2C9=C5C3=C12 XMWRBQBLMFGWIX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 1
- 229910021529 ammonia Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000429 assembly Methods 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002717 carbon nanostructure Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005119 centrifugation Methods 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000006260 foam Substances 0.000 description 1
- 238000004108 freeze drying Methods 0.000 description 1
- 229910003472 fullerene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000005842 heteroatom Chemical group 0.000 description 1
- 238000003837 high-temperature calcination Methods 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 1
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 239000005543 nano-size silicon particle Substances 0.000 description 1
- 239000002135 nanosheet Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 1
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 1
- 229920002239 polyacrylonitrile Polymers 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000000197 pyrolysis Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229920000428 triblock copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
- C01P2002/01—Crystal-structural characteristics depicted by a TEM-image
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
- C01P2004/03—Particle morphology depicted by an image obtained by SEM
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
- C01P2004/00—Particle morphology
- C01P2004/60—Particles characterised by their size
- C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
Landscapes
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711182393.2A CN107857249B (zh) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201711182393.2A CN107857249B (zh) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN107857249A true CN107857249A (zh) | 2018-03-30 |
| CN107857249B CN107857249B (zh) | 2020-06-16 |
Family
ID=61702549
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201711182393.2A Expired - Fee Related CN107857249B (zh) | 2017-11-23 | 2017-11-23 | 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN107857249B (zh) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108394888A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-14 | 安徽大学 | 一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法 |
| CN108493461A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-09-04 | 大连理工大学 | 一种N掺杂多孔碳包覆Fe、Co双金属纳米粒子的催化剂及其制备方法 |
| CN109136979A (zh) * | 2018-08-08 | 2019-01-04 | 东华大学 | 中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料及其制备 |
| CN109126683A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种改性c3n4材料的制备方法 |
| CN109437156A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-08 | 上海师范大学 | 一种氮掺杂碳纳米管的制备方法 |
| CN110289179A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-09-27 | 南京源恒能源科技有限公司 | 活性金属氧化物-碳化细菌纤维素电极材料的制备方法 |
| CN111864193A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种杂原子修饰中空微碳球及其制备方法和在锂硫电池正极材料中的应用 |
| CN112499615A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-16 | 大连理工大学 | 一种纳米聚合物环、纳米炭环及其制备方法 |
| CN113651313A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-11-16 | 绍兴道普新材料科技有限公司 | 一种中空亚微米氮掺杂碳管及其制备方法 |
| CN113668012A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-19 | 中国石油大学(北京) | 一种铁/钌氮掺杂多孔碳电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN116377473A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-07-04 | 大连理工大学 | 一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用 |
| CN117263170A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-22 | 河南省科学院碳基复合材料研究院 | 一种rGO-双层CNT-ERG微纳多尺度强韧化碳基复合材料及其制备方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012250884A (ja) * | 2011-06-03 | 2012-12-20 | National Institute For Materials Science | 多孔性窒化炭素膜、その製造方法およびそれを用いた用途 |
| CN104961121A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-10-07 | 上海大学 | 氮掺杂核壳空心碳的制备方法 |
| CN105776174A (zh) * | 2016-02-06 | 2016-07-20 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种氮掺杂的孔状碳纳米片及其制备方法和应用 |
| CN105948045A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-09-21 | 湘潭大学 | 一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用 |
| CN107151003A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-09-12 | 大连理工大学 | 一种石墨相氮化碳纳米环材料及其制备方法 |
-
2017
- 2017-11-23 CN CN201711182393.2A patent/CN107857249B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012250884A (ja) * | 2011-06-03 | 2012-12-20 | National Institute For Materials Science | 多孔性窒化炭素膜、その製造方法およびそれを用いた用途 |
| CN104961121A (zh) * | 2015-06-24 | 2015-10-07 | 上海大学 | 氮掺杂核壳空心碳的制备方法 |
| CN105776174A (zh) * | 2016-02-06 | 2016-07-20 | 中国科学院理化技术研究所 | 一种氮掺杂的孔状碳纳米片及其制备方法和应用 |
| CN105948045A (zh) * | 2016-07-18 | 2016-09-21 | 湘潭大学 | 一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用 |
| CN107151003A (zh) * | 2017-04-28 | 2017-09-12 | 大连理工大学 | 一种石墨相氮化碳纳米环材料及其制备方法 |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108394888A (zh) * | 2018-04-09 | 2018-08-14 | 安徽大学 | 一种氮掺杂介孔空心碳纳米球的制备方法 |
| CN108493461A (zh) * | 2018-05-08 | 2018-09-04 | 大连理工大学 | 一种N掺杂多孔碳包覆Fe、Co双金属纳米粒子的催化剂及其制备方法 |
| CN109136979A (zh) * | 2018-08-08 | 2019-01-04 | 东华大学 | 中空锌掺杂氧化钴镍包覆的氮掺杂碳复合材料及其制备 |
| CN109126683B (zh) * | 2018-09-11 | 2021-06-25 | 哈尔滨工程大学 | 一种改性c3n4材料的制备方法 |
| CN109126683A (zh) * | 2018-09-11 | 2019-01-04 | 哈尔滨工程大学 | 一种改性c3n4材料的制备方法 |
| CN109437156A (zh) * | 2018-11-13 | 2019-03-08 | 上海师范大学 | 一种氮掺杂碳纳米管的制备方法 |
| CN109437156B (zh) * | 2018-11-13 | 2022-01-14 | 上海师范大学 | 一种氮掺杂碳纳米管的制备方法 |
| CN111864193B (zh) * | 2019-04-30 | 2021-10-01 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种杂原子修饰中空微碳球及其制备方法和在锂硫电池正极材料中的应用 |
| CN111864193A (zh) * | 2019-04-30 | 2020-10-30 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种杂原子修饰中空微碳球及其制备方法和在锂硫电池正极材料中的应用 |
| CN110289179A (zh) * | 2019-05-29 | 2019-09-27 | 南京源恒能源科技有限公司 | 活性金属氧化物-碳化细菌纤维素电极材料的制备方法 |
| CN112499615A (zh) * | 2020-12-01 | 2021-03-16 | 大连理工大学 | 一种纳米聚合物环、纳米炭环及其制备方法 |
| CN113668012A (zh) * | 2021-08-12 | 2021-11-19 | 中国石油大学(北京) | 一种铁/钌氮掺杂多孔碳电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113668012B (zh) * | 2021-08-12 | 2022-07-12 | 中国石油大学(北京) | 一种铁/钌氮掺杂多孔碳电催化剂及其制备方法和应用 |
| CN113651313A (zh) * | 2021-09-28 | 2021-11-16 | 绍兴道普新材料科技有限公司 | 一种中空亚微米氮掺杂碳管及其制备方法 |
| CN113651313B (zh) * | 2021-09-28 | 2023-06-06 | 绍兴道普新材料科技有限公司 | 一种中空亚微米氮掺杂碳管及其制备方法 |
| CN116377473A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-07-04 | 大连理工大学 | 一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用 |
| CN116377473B (zh) * | 2023-03-17 | 2023-11-07 | 大连理工大学 | 一种氮掺杂中空碳纳米环负载金属单原子材料、制备方法及其应用 |
| CN117263170A (zh) * | 2023-09-12 | 2023-12-22 | 河南省科学院碳基复合材料研究院 | 一种rGO-双层CNT-ERG微纳多尺度强韧化碳基复合材料及其制备方法 |
| CN117263170B (zh) * | 2023-09-12 | 2024-09-03 | 河南省科学院碳基复合材料研究院 | 一种rGO-双层CNT-ERG微纳多尺度强韧化碳基复合材料及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN107857249B (zh) | 2020-06-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107857249B (zh) | 一种氮掺杂环状空心纳米炭材料的制备方法 | |
| CN104003368B (zh) | 一种多孔磷-氮共掺杂碳材料及其制备方法 | |
| CN107622879B (zh) | 氮掺杂石墨烯/碳纳米管气凝胶电极的制备方法 | |
| CN105826527B (zh) | 一种多孔硅-碳复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN105126876B (zh) | 一种花状碳负载MoS2纳米颗粒的复合材料及其制备方法 | |
| CN110117009B (zh) | 一种铁氮共掺杂磁性多孔石墨化纳米碳气凝胶的制备方法 | |
| CN102324503B (zh) | 单模微波制备氧化钴纳米片和石墨烯复合锂电池负极材料的方法 | |
| CN104559176A (zh) | 一种三维还原氧化石墨烯/聚苯胺复合材料的制备方法 | |
| CN106587017A (zh) | 一种多孔石墨烯及其制备方法 | |
| CN104835654A (zh) | 一种三维氮掺杂石墨烯/二硫化钼复合物及其制备方法 | |
| CN107301922B (zh) | 三维多孔石墨烯纳米材料及其制备方法和应用 | |
| CN105271217A (zh) | 一种氮掺杂的三维石墨烯的制备方法 | |
| CN104810161B (zh) | 一种氮氧掺杂空心纳米炭球制备方法及其电化学储能应用 | |
| CN109243862B (zh) | 一种双重修饰的碳空心球复合物及其制备方法和应用 | |
| CN106058206A (zh) | 一种花状碳负载MoS2纳米颗粒的复合材料及其制备方法和应用 | |
| CN102583324B (zh) | 一种非晶态碳纳米管的制备方法 | |
| CN105140464B (zh) | 碳包氧化镍纳米片负载在石墨烯上的纳米复合材料及其制备方法 | |
| CN104103829B (zh) | MoS2带孔纳米片/石墨烯复合纳米材料及制备方法 | |
| CN103560016A (zh) | 一种多级孔道石墨烯/碳复合材料的制备方法 | |
| CN113013391A (zh) | 一种制备适配铝硫电池硫正极载体的氮掺杂多维多级孔碳材料的方法 | |
| CN105836804B (zh) | 一种分等级结构碳插层MoS2@rGO的制备方法 | |
| CN106328382B (zh) | “黄-壳”结构的碳球/MoS2复合材料及其制备方法 | |
| CN108017094A (zh) | 一种六边形硫化钴/碳复合材料及其制备方法 | |
| CN104091932B (zh) | Ws2带孔纳米片/石墨烯复合纳米材料及制备方法 | |
| CN115036152B (zh) | 一种空心球状硼碳氮材料及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20200616 |
|
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |