CN104617311A - 一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料及其制备方法 Download PDF

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黄祥君
唐益国
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Abstract

本发明以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，形成混合溶液；对混合溶液进行冷冻干燥，得到干的混合物；将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，950 oC，时间50分钟，得到产物。1．本发明材料制备方法简单，易于实现工业化。2.该方法制备的产物结构是氮钴掺杂的介孔碳与石墨烯形成的碳复合网络结构。3.产物结构中，钴元素是以2种形式存在产物中，一种是以掺杂的形式存在，另外一种是以钴纳米颗粒的形式复合在碳网络结构中。4.该方法制备的材料具有非常优秀的氧气电催化还原性能。5.该材料很也会在超级电容器、锂离子电池、有机催化、光催化、气体吸附等众多领域有潜在的应用价值。

Description

一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属碳复合纳米材料领域，尤其涉及一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料及其制备方法。
背景技术
介孔碳材料由于具有大的比表面积，在电催化、有机催化、超级电容器、光催化、污水处理、气体吸附等方面有广泛的应用。作为具有二维结构的碳材料，石墨烯具有较好的电学与电催化性能。另外氮掺杂能够改变碳材料的很多方面的性能，氮掺杂的碳材料在许多领域有潜在的应用。例如在燃料电池阴极催化剂方法，氮掺杂的碳材料是理想的催化剂载体。结合介孔碳材料具有大的比表面积和石墨烯具有的较好的催化性能，发展高效、低成本、操作简单的燃料电池阴极催化剂具有重要意义。
发明内容
有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于提供一种以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，制备氮钴掺杂的介孔碳/石墨烯复合碳网络结构材料，本发明提供的网络碳复合结构材料表现出显著的氧气电还原性能。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
 一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料，其特征在于：其是氮钴掺杂的介孔碳与石墨烯形成的碳复合网络结构。
     所述一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料，其特征在于：在其结构中，钴元素是以两种形式存在产物中，一种是以掺杂的形式存在，另外一种是以钴纳米颗粒的形式复合在碳网络结构中。
     所述的氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
 a）以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，形成混合溶液；
b）对混合溶液进行冷冻干燥，得到干的混合物；
c）将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度800-1000 ，时间20-80分钟，得到产物。
     所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a）具体包括：称取适量介孔碳，用蒸馏水分散，将适量的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加FeCl3，或者Fe(NO3)3 或者Fe(C2O4), 磁力搅拌，形成混合溶液。
     所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：每称取60-80 mg介孔碳，需要加入20-30mL的浓度为2.2-2.7 mg/mL的氧化石墨烯，还需再向其中添加5.5-6.5 mg 的金属盐。
  所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的介孔碳指的是CMK3或者CMK8。
一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，形成混合溶液；对混合溶液进行冷冻干燥，得到干的混合物；将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，950 oC，时间50分钟，得到产物。
与现有技术相比，本发明提供一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料制备方法，本发明具有如下特点：
1．以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，整个材料制备方法简单，易于实现工业化。
2. 该方法制备的产物结构是氮钴掺杂的介孔碳与石墨烯形成的碳复合网络结构。
3. 产物结构中，钴元素是以2种形式存在产物中，一种是以掺杂的形式存在，另外一种是以钴纳米颗粒的形式复合在碳网络结构中。
4. 该方法制备的产物具有非常优秀的氧气电催化还原性能。
5. 该方法制备的产物，BET表面积大，掺杂的氮元素含量高。这种材料很可能也会在超级电容器、锂离子电池、有机催化、光催化、气体吸附等众多领域有潜在的应用价值。
附图说明
图1a-b为本发明实施例1制备得到的产物的投射电镜照片
图2为本发明实施例1制备得到的产物的X-射线衍射图；
图3为本发明实施例1制备得到的产物的光电子能谱结果；
图4为本发明实施例1制备得到的产物的BET结果；
图5 为本发明实施例1制备得到的产物的氧气电还原催化性能。
具体实施方式
为了进一步说明本发明，以下结合实施例对本发明提供的产物制备方法进行详细描述。
实施例1
称取60 mg介孔碳（CMK3），用蒸馏水分散，将20 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg FeCl3，磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间50分钟，得到产物。
实施例2
称取60 mg介孔碳（CMK8），用蒸馏水分散，将30 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg Fe(NO3)3, 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：1000 oC，时间50分钟，得到产物。
实施例3
称取60 mg介孔碳（CMK3），用蒸馏水分散，将20 mL(2.0 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg Fe(C2O4), 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间20分钟，得到产物。
实施例4
称取60 mg介孔碳（CMK3），用蒸馏水分散，将20 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg FeCl3，磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：850 oC，时间60分钟，得到产物。
实施例5
称取80 mg介孔碳（CMK8），用蒸馏水分散，将30 mL(2.8 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加10 mg FeCl3，磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间30分钟，得到产物。
实施例6
称取60 mg介孔碳（CMK3或者CMK8），用蒸馏水分散，将20 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加3 mg Fe(C2O4), 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间50分钟，得到产物。
实施例7
称取60 mg介孔碳（CMK3或者CMK8），用蒸馏水分散，将20 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg Fe(NO3)3, 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：850 oC，时间80分钟，得到产物。
实施例8
称取60 mg介孔碳（CMK3），用蒸馏水分散，将40 mL(1.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加5 mg FeCl3，磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间30分钟，得到产物。
实施例9
称取40 mg介孔碳（CMK3或者CMK8），用蒸馏水分散，将10 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加6 mg FeCl3, 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：900 oC，时间50分钟，得到产物。
实施例10
称取40 mg介孔碳（CMK3或者CMK8），用蒸馏水分散，将15 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加4 mg FeCl3，或者Fe(NO3)3 或者Fe(C2O4), 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：900 oC，时间60分钟，得到产物。
实施例11
称取60 mg介孔碳（CMK8），用蒸馏水分散，将20 mL(2.5 mg/mL)的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加8 mg FeCl3, 磁力搅拌，形成混合溶液。对混合溶液进行冷冻干燥。将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度：950 oC，时间25分钟，得到产物。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料，其特征在于：其是氮钴掺杂的介孔碳与石墨烯形成的碳复合网络结构。
2.根据权利要求1所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料，其特征在于：在其结构中，钴元素是以两种形式存在产物中，一种是以掺杂的形式存在，另外一种是以钴纳米颗粒的形式复合在碳网络结构中。
3.一种如权利要求1或2所述的氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
 a）以介孔碳和氧化石墨烯为原料，添加金属盐溶液，形成混合溶液；
b）对混合溶液进行冷冻干燥，得到干的混合物；
c）将干的混合物在管式炉中用氨气气氛热处理，温度800-1000 ，时间20-80分钟，得到产物。
4.根据权利要求3所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤a）具体包括：称取适量介孔碳，用蒸馏水分散，将适量的氧化石墨烯加入，超声分散均匀，再向其中添加FeCl3，或者Fe(NO3)3 或者Fe(C2O4), 磁力搅拌，形成混合溶液。
5.根据权利要求3所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：每称取60-80 mg介孔碳，需要加入20-30mL的浓度为2.2-2.7 mg/mL的氧化石墨烯，还需再向其中添加5.5-6.5 mg 的金属盐。
6.根据权利要求3所述的一种氮钴掺杂介孔碳/石墨烯复合材料的制备方法，其特征在于：所述的介孔碳指的是CMK3或者CMK8。
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