CN102701183A

CN102701183A - 富氮介孔碳材料及无模板制备方法及制作工作电极的方法与应用

Info

Publication number: CN102701183A
Application number: CN2012101833899A
Authority: CN
Inventors: 梁彦瑜; 来庆学
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种富氮介孔碳材料及无模板制备方法及制作工作电极的方法与应用，介孔碳材料制备技术领域。本发明在有机溶剂中，以取代二醛和三聚氰胺衍生物为构筑单元，利用构筑单元之间的席夫碱反应在惰性气氛下加热回流得到介孔聚亚胺类前驱体，惰性气氛下低温焙烧，进一步碳化得到富氮介孔碳；或者是将聚亚胺类前驱体一步高温碳化得到富氮介孔碳。通过调节取代二醛和三聚氰胺衍生物的结构、聚亚胺类前驱体的热解条件对富氮介孔碳实现可控合成本发明可以实现富氮介孔碳的无模板合成，并且操作简单，成本低，可规模化生产。优化的富氮介孔碳材料制成电极，在酸性和碱性条件下均具有良好的电容行为，快速的电流响应和稳定的循环寿命。

Description

富氮介孔碳材料及无模板制备方法及制作工作电极的方法与应用

技术领域

本发明属于介孔碳材料制备技术领域，具体涉及的是一种新型富氮介孔碳材料、制备方法及其作为电极材料在电化学电容器中的应用。

背景技术

介孔碳材料由于具有：（1）规则的孔道结构，孔道大小均匀/排列有序；（2）孔径分布窄，孔径尺寸可在大范围内连续可调；（3）具有较大的比表面积和孔容；（4）经优化合成条件或预处理，可具有良好的热稳定性和化学稳定性；（5）颗粒具有规则的外形，且保持高度的孔道有序性，因而近几年成为国际上跨学科研究的热点材料之一。进一步功能化获得的介孔碳材料必将展现更为优异的性能，拓展其实际应用领域。氮元素作为一种广泛使用的掺杂元素，引入介孔碳材料中后，氮原子上一对孤对电子未参与成键而使得整个材料具有给电子的性质，改善整体的电子导电性。另外，碳氮双键的形成加强了原有体系的π键，而且氮元素的引入进一步提高了材料边缘平面的密度，从而加强了介孔碳材料的化学稳定性。正是由于其优异的物理化学性能，富氮介孔碳材料作为一种功能化材料广泛应用于工业催化与电催化、超级电容器、场效应晶体管、太阳能电池、锂离子电池等诸多领域。

模板方法是合成富氮介孔碳材料的经典方法，这是一种基于主客体模板效应的合成方法。传统的模板方法通过预先制备好的硬质氧化硅或者软质嵌段共聚物作为模板，利用含碳（和含氮）的前驱物在模板的作用下发生热解反应，以及后续的掺氮过程得到反相复制模板介观结构的富氮介孔碳。在制备过程必不可少的构筑和去除模板、掺杂氮元素的引入等工艺使得合成过程复杂、耗时，不适于大规模的生产和工业应用。

针对模板路线在合成富氮介孔材料上存在的明显不足，已有较少数研究小组积极开展利用无模板方法制备富氮介孔碳材料。2005年德国Antonietti和Thomas小组（Groenewolt,M.;Antonietti,M.,Synthesis of g-C3N4 Nanoparticles inMesoporous Silica Host Matrices.Advanced Materials 2005,17(14),1789-1792）以氰胺类有机化合物为反应前驱体，在中温加热情况下，利用分子间缩聚反应合成出具有均匀孔道结构的高比表面积二维石墨碳化氮，惰性气氛下进一步热解碳化为新型富氮介孔碳材料。在反应过程中，碳化氮作为唯一的碳源参与反应；同时高度有序的二维介孔结构起到模板导向的作用，实现富氮介孔碳材料的无模板制备。随后，美国Dai小组（Lee,J.S.;Wang,X.;Luo,H.;Baker,G.A.;Dai,S.,FacileIonothermal Synthesis of Microporous and Mesoporous Carbons from Task SpecificIonic Liquids.Journal og the American Chemical Society 2009,131(13),4596-4597）和浙江大学李浩然（Wang,Y,Zhang,J.,Wang,X.,Antonietti,M.& Li,H.Boron-and Fluorine-Containing Mesoporous Carbon Nitride Polymers:Metal-Free Catalystsfor Cyclohexane Oxidation.Angewandte Chemie International Edition 2010,49,3356-3359）小组采用相似的分子间缩聚反应，以含氰基的咪唑类离子液体为反应前驱体化合物，构建介孔石墨碳化氮的骨架结构，热解还原为孔径较大的富氮介孔碳材料。以上的研究结果表明，利用分子间协同缩聚反应搭建出具有介孔结构的聚合物骨架，进一步热解还原是可以有效实现介孔材料的无模板制备。目前已有报道采用此类方法制备的富氮介孔碳材料还局限于芳香族氰基、氰胺类化合物之间，所制备的富氮介孔碳材料在结构和组成上还缺乏有效调控（微观介孔结构、介孔表面原子排列和取向、介孔缺陷等）(Fulvio,P.F.;Lee,J.S.;Mayes,R.T.;Wang,X.;Mahurin,S.M.;Dai,S.,Boron and nitrogen-rich carbons from ionic liquidprecursors with tailorable surface properties.Physical Chemistry Chemical Physics2011,13(30),13486-13491)。因此，迫切需要一种简单、有效、可控的无模板方法制备富氮介孔碳材料。

发明内容

目的：本发明提供了一种无模板可控制备富氮介孔碳材料的合成方法以及测试制备的富氮介孔碳作为电极材料在电化学电容器中的应用。

一种富氮介孔碳材料的无模板制备方法，其特征在于包括如下步骤：（1）在室温下，将构筑单元取代二醛和三聚氰胺衍生物分散在有机溶剂中，充分搅拌溶解得到澄清溶液，取代二醛和三聚氰胺衍生物的摩尔配比选取根据构筑单元含有的醛基和氨基摩尔比1:1的原则，其中取代二醛（Ⅰ或Ⅱ）和三聚氰胺衍生物（Ⅲ）的结构式为：

X₁＝C，N

X₂＝H，Me，Ph，OH，NH₂，Hex

R₁＝Alkyl，Aryl

其中有机溶剂为乙酸、或乙腈、或二甲基甲酰胺、或二甲基亚砜；

（2）在惰性气体保护下加热回流，加热回流温度为80～180°C，利用构筑单元之间的席夫碱反应得到介孔聚亚胺类前驱体沉淀，反应至无沉淀析出为止，其中回流温度主要根据所选溶剂的沸点大小进行选取；

（3）至沉淀不再析出，过滤洗涤干燥，其中过滤洗涤时是采用四氢呋喃、二氯甲烷、乙酸乙酯、氯仿、甲基乙基酮中一种有机溶剂洗涤或几种有机溶剂混合洗涤或交替洗涤；在氩气或氮气下低温焙烧得到高聚合度的聚亚胺类前驱体，其中低温焙烧温度为280-320°C，反应时间4-6小时，升温速率为1-3°Cmin^-1；高温下碳化，得到富氮介孔碳，其中碳化温度为400～1200°C，反应时间1-3小时，升温速率为1-3°Cmin^-1。

所述的富氮介孔碳材料的无模板制备方法，其特征在于所述步骤（3）中：低温焙烧最佳温度为300°C，最佳反应时间5小时，最优升温速率为1°Cmin^-1；最佳碳化温度为800℃，最佳反应时间1小时，最优升温速率为1°Cmin^-1。

所述无模板法制备的富氮介孔碳材料，其特征在于：富氮介孔碳的孔径3～30nm，孔容为0.2～0.8cm³g^-1，比表面积为200～1100m²g^-1，碳氮摩尔比1:1～80:1。

所述富氮介孔碳材料制作工作电极的方法，其特征在于：将制备的富氮介孔碳材料和导电乙炔黑按质量比为80：15，在研钵中充分研磨混合成均匀的粉末，滴加质量浓度为5wt%的聚四氟乙烯乳液，采用压片的方法压制在预先处理好的泡沫镍集流体上制成工作电极。

所述的工作电极，其特征在于：应用于电化学电容器中。

采用常规方法将所合成的富氮介孔碳制备成电极，组装成电化学电容器单电池，利用CHI660电化学工作站进行了电化学性能测试，测试结果表明，采用结构经过优化的富氮介孔碳作为电极，单电池在酸性体系下的比电容可以达到351F g^-1；碱性体系下可以达到381F g^-1；并具有良好的循环稳定性。

本发明的反应机理为：在有机溶剂中，通过加热回流，利用构筑单元取代二醛和三聚氰胺衍生物生成席夫碱的分子间协同缩聚反应构建具有介孔结构的聚亚胺类前驱体，惰性气氛下低温焙烧提高聚亚胺类骨架的聚合度，进一步高温碳化，得到相应结构的富氮介孔碳；或者将缩聚反应得到的介孔聚亚胺类前驱体一步高温碳化得到富氮介孔碳材料。通过调节取代二醛和三聚氰胺衍生物的结构和配比，可以有效对介孔聚亚胺类前驱体骨架进行调控（孔径大小、比表面积、孔容、含氮量），然后控制聚亚胺类前驱体的热解条件（升温速率、热解温度、热解气氛）实现对于富氮介孔碳的可控制备。例如，三聚氰胺与含不同芳环的取代二醛的单体（如对苯二醛和对萘二醛）反应得到的聚亚胺，其孔容和比表面积随芳环数量的增加而降低，孔径则随之增加；碳化过程中，含氮量随温度的升高而降低。碳化前低温焙烧的目的是为了提高介孔聚亚胺类材料的聚合度，保持此类材料具有开放的“刚性”骨架结构，孔道高度有序，大孔容和高比表面积，在进一步高温碳化下，结构不易变形，介孔孔径收缩小。

本发明新型富氮介孔碳材料的合成原料价格低廉、操作简单易行、可规模化制备。通过本发明制备的富氮介孔碳材料中氮原子均匀分布在介孔碳骨架结构中，且具有高度开放的孔道结构、比表面积高、孔容大、孔径范围高度可调（3～30nm）等特点，并首次将制备的新型富氮介孔碳作为电极材料，应用于电化学电容器。同时这种功能化碳材料作为电极材料在电化学与工业催化、锂离子的电池、太阳能电池以及废水吸附等方面有广阔的应用前景。

附图说明

图1是根据本发明一个实施方案的介孔聚亚胺类前驱体的特征氮气吸附-脱附等温曲线：(a)实验实施例1，(b)实验实施例2，(c)实验实施例3。

图2是根据本发明一个实施方案的富氮介孔碳的特征氮气吸附-脱附等温曲线：(a)实验实施例1，(b)实验实施例2，(c)实验实施例3。

图3是根据本发明一个实施方案的富氮介孔碳的孔径分布曲线：(a)实验实施例1，(b)实验实施例2，(c)实验实施例3。

图4是根据本发明实施方案4的富氮介孔碳的特征氮气吸附-脱附等温曲线

图5根据本发明实施方案4的富氮介孔碳的孔径分布曲线

图6是根据本发明一个实施方案的富氮介孔碳的光电子能谱曲线：(a)实验实施例1，(b)实验实施例2，(c)实验实施例3，（d）和(e)分别对应实施案例4中400℃和1200℃的材料。

图7是根据本发明一个实施方案的富氮介孔碳（实验实施例1）的TEM照片。

图8是根据本发明一个实施方案的富氮介孔碳（实验实施例1）在1molL^-1 KOH溶液中的循环伏安曲线。

具体实施方式

下面将对本发明作更详细的描述。

富氮介孔碳的制备

实施案例中所用的构筑单元的结构式：

实施例1

将307mg的三聚氰胺和500mg的对苯二甲醛（摩尔比1:1.5）放置于三颈烧瓶中，加入16mL二甲基亚砜溶液，使其充分溶解。在惰性气氛下在180°C加热回流72小时。冷却至室温后的沉淀用布氏漏斗过滤分离和索氏提取四氢呋喃得到席夫碱化学调节制备的三维介孔聚亚胺类白色粉末，产率为61%，孔容1.01cm³g^-1，孔径3.3nm，比表面积1377m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图1a所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为1:1。

在氩气或氮气下低温焙烧得到高聚合度的聚亚胺类前驱体，其中低温焙烧温度为300°C，反应时间5小时，升温速率为1°Cmin^-1；高温下碳化，得到本发明富氮介孔碳，其中碳化温度为800°C，反应时间1小时，升温速率为1°Cmin^-1。，得到富氮介孔碳材料的孔容0.24cm³g^-1，孔径9nm，比表面积585m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图2a所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为12:1。

实施例2

将231mg的三聚氰胺和500mg的对萘二甲醛(（摩尔比1:1.5）)放置于三颈烧瓶中，加入11mL二甲基亚砜溶液，使其充分溶解。在惰性气氛下在180°C加热回流72小时。冷却至室温后的沉淀用布氏漏斗过滤分离和索氏提取四氢呋喃得到席夫碱化学调节制备的三维介孔聚亚胺类浅黄色粉末，产率为66%，孔容0.73cm³g^-1，孔径3.8nm，比表面积1032m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图1b所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为1:1。

在氩气或氮气下低温焙烧得到高聚合度的聚亚胺类前驱体，其中低温焙烧温度为300°C，反应时间5小时，升温速率为1°Cmin^-1；高温下碳化，得到本发明富氮介孔碳，其中碳化温度为800°C，反应时间1小时，升温速率为1°Cmin^-1。得到富氮介孔碳材料的孔容0.26cm³g^-1，孔径28nm，比表面积699m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图2b所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为15:1。

实施例3

将305mg的三聚氰胺和500mg的间吡啶二甲醛（摩尔比1:1.5）放置于三颈烧瓶中，加入15mL二甲基亚砜溶液，使其充分溶解。在惰性气氛下在180°C加热回流72小时。冷却至室温后的沉淀用布氏漏斗过滤分离和索氏提取四氢呋喃得到席夫碱化学调节制备的三维介孔聚亚胺类黄色粉末，产率为75%，孔容0.51cm³g^-1，孔径3.4nm，比表面积591m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图1c所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为1:1.2。

在氩气或氮气下低温焙烧得到高聚合度的聚亚胺类前驱体，其中低温焙烧温度为300°C，反应时间5小时，升温速率为1°Cmin^-1；高温下碳化，得到本发明富氮介孔碳，其中碳化温度为800°C，反应时间1小时，升温速率为1°Cmin^-1。得到富氮介孔碳材料的孔容0.62cm³g^-1，孔径3.9nm，比表面积748m²g^-1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图2c所示），元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为13:1。

实施例4

在氩气或氮气下低温焙烧得到高聚合度的聚亚胺类前驱体，其中低温焙烧温度为300°C，反应时间5小时，升温速率为1°Cmin^-1；高温下碳化，得到本发明富氮介孔碳，其中碳化温度分别为400和1200°C，反应时间1小时，升温速率为1°Cmin^-1。400℃时得到的材料的孔容0.08cm³g^-1，孔径16.75nm，比表面积220m²g^-1，元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为1.19:1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图4所示）；1200℃时得到的材料的孔容0.19cm³g^-1，孔径8.85nm，比表面积420m²g^-1，元素分析证明富氮介孔碳中碳氮摩尔比为46.8:1，其中氮气吸附脱附等温曲线属于第IV类型（如图4所示）。

Claims

1.一种富氮介孔碳材料的无模板制备方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在室温下，将构筑单元取代二醛和三聚氰胺衍生物分散在有机溶剂中，充分搅拌溶解得到澄清溶液，取代二醛和三聚氰胺衍生物的摩尔配比选取根据构筑单元含有的醛基和氨基摩尔比1:1的原则，其中取代二醛（Ⅰ或Ⅱ）和三聚氰胺衍生物（Ⅲ）的结构式为：

X₁＝C，N

X₂＝H，Me，Ph，OH，NH₂，Hex

R₁＝Alkyl，Aryl

2.根据权利要求1所述的富氮介孔碳材料的无模板制备方法，其特征在于所述步骤（3）中：低温焙烧温度为300°C，反应时间5小时，升温速率为1°Cmin^-1；碳化温度为800℃，反应时间1小时，升温速率为1°Cmin^-1。

3.根据权利要求1所述无模板法制备的富氮介孔碳材料，其特征在于：富氮介孔碳的孔径3～30nm，孔容为0.2～0.8cm³g^-1，比表面积为200～1100m²g^-1，碳氮摩尔比1:1～80:1。

4.利用权利3所述富氮介孔碳材料制作工作电极的方法，其特征在于：将制备的富氮介孔碳材料和导电乙炔黑按质量比为80：15，在研钵中充分研磨混合成均匀的粉末，滴加质量浓度为5wt%的聚四氟乙烯乳液，采用压片的方法压制在预先处理好的泡沫镍集流体上制成工作电极。

5.根据权利要求4所述的工作电极，其特征在于：应用于电化学电容器中。