CN108529590A - 一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法 - Google Patents

一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法 Download PDF

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陈盛锐
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Abstract

本发明属于碳材料的制备技术领域，公开了一种氮硼共掺杂碳材料的制备方法，包括：将含硼化合物与可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物进行物理混合得到混合物；将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理，得到碳化产物；将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料。本发明提供氮硼共掺杂碳材料的制备方法，采用温室气体CO2为碳源，既降低了材料的合成成本，同时制备工艺简单，对实验设备要求低，适合大批量生产；通过改变原料的物料比，可以对最终产品中硼、氮的含量进行调控，满足不同领域的需要。

Description

一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳材料的制备技术领域，特别涉及一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法。
背景技术
多孔碳具有丰富的孔洞结构和高的比表面积，在吸附、催化、能源存储等领域有着广阔的应用。利用杂元素(如氮、磷、硫、硼、氟等)对碳骨架进行掺杂，可显著提高碳材料的表面性质，如改善润湿性，在电化学中还可以作为反应活性位点。其中，氮掺杂的材料研究的比较多。相比于氮元素单掺杂，多元素共掺杂在提升碳材料电化学性能方面具有显著优势。
现有技术中，在原始碳材料与含硼或含氮化合物进行碳化处理，从而引入硼氮杂原子，这需要建立在原本就有碳的基础上进行；此外，一些氮硼共掺杂碳材料通常采用化学气相沉积的方式进行制备，所需反应装置复杂，产率低且掺杂量难以控制，成本比较高。
发明内容
本发明提供一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法，解决现有技术中氮硼共掺杂碳材料制备方法的掺杂量控制难度大，反应装置复杂，产率低且成本高的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种氮硼共掺杂碳材料的制备方法，包括：
将含硼化合物与可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物进行物理混合得到混合物；
将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理，得到碳化产物；
将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料。
进一步地，所述含硼化合物与所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物按照质量比1：3～8进行混合。
进一步地，所述将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理包括：
在惰性气氛下，将所述混合物以2～10℃/min的升温速度从室温升至600～900℃，并保持1～6h；
自然冷却至室温，得到碳化产物。
进一步地，所述将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料包括：
将所述碳化产物于酸浓度为3～10mol/L的酸液中进行酸化处理，酸处理时间为24～72h，温度在60～90℃，得到酸化处理产物；
用蒸馏水洗涤所述酸化处理产物至滤液呈中性；
将洗涤后的酸化处理产物在温度60～100℃下干燥6～12h，得到氮硼共掺杂碳材料。
进一步地，所述含硼化合物包括：硼氢化钠、硼氢化钾以及氰基硼氢化钠中的一种。
进一步地，所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物包括碳酸铵或者碳酸氢铵。
进一步地，所述惰性气氛为氮气或者氩气或者两者的混合气体。
进一步地，所述酸刻蚀采用的酸溶液为盐酸溶液或者硝酸溶液或硫酸溶液。
一种氮硼共掺杂碳材料，采用所述方法制备。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的氮硼共掺杂碳材料及其制备方法，采用温室气体CO2为碳源，既降低了材料的合成成本，同时制备工艺简单，对实验设备要求低，适合大批量生产；通过明确的原料物料比，对最终产品中硼、氮的含量进行调控，满足不同领域的需要。相比传统采用有机化合物或者生物质作为碳源，本发明采用二氧化碳为碳源，价格低廉，同时拓宽了二氧化碳的使用范围，有利于缓解二氧化碳的排放。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的扫描电子显微镜照片；
图2为本发明实施例二提供的扫描电子显微镜照片；
图3为本发明实施例三提供的扫描电子显微镜照片；
图4为本发明实施例五提供的扫描电子显微镜照片。
具体实施方式
本申请实施例通过提供一种氮硼共掺杂碳材料及其制备方法，解决现有技术中氮硼共掺杂碳材料制备方法的掺杂量控制难度大，反应装置复杂，产率低且成本高的技术问题。
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
一种氮硼共掺杂碳材料的制备方法，包括：
将含硼化合物与可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物进行物理混合得到混合物；
将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理，得到碳化产物；
将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料。
一般来说，所述含硼化合物与所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物按照质量比1：3～8进行混合；具体可根据不同需求，选择适当的取值，对最终产品中硼、氮的含量进行调控。
相比传统采用有机化合物或者生物质作为碳源，本发明采用二氧化碳为碳源，价格低廉，同时拓宽了二氧化碳的使用范围，有利于缓解二氧化碳的排放。
具体来说，所述将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理包括：
在惰性气氛下，将所述混合物以2～10℃/min的升温速度从室温升至600～900℃，并保持1～6h；
自然冷却至室温，得到碳化产物。
所述将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料包括：
将所述碳化产物于酸浓度为3～10mol/L的酸液中进行酸化处理，酸处理时间为24～72h，温度在60～90℃，得到酸化处理产物；
用蒸馏水洗涤所述酸化处理产物至滤液呈中性；
将洗涤后的酸化处理产物在温度60～100℃下干燥6～12h，得到氮硼共掺杂碳材料。
一般来说，所述含硼化合物包括：硼氢化钠、硼氢化钾以及氰基硼氢化钠中的一种。
所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物包括碳酸铵或者碳酸氢铵。
通常，所述惰性气氛为氮气或者氩气或者两者的混合气体。
所述酸刻蚀采用的酸溶液为盐酸溶液或者硝酸溶液或硫酸溶液。
本申请还提供一种基于上述方法制备的材料。
下面将提供具体的实施例。
实施例1
将硼氢化钠与碳酸氢铵按照1:5质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氮气氛围下，从室温以5℃/min升温至650℃，并在此温度下保持2h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入3mol/L盐酸，在80℃下进行回流和磁力搅拌处理72h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在60℃下进行干燥12h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
参见图1，该实施方案得到氮硼共掺杂碳材料样品的扫描电子显微镜照片，从图中可以发现硼氮共掺杂碳材料呈片状结构，结构不是很规整。
实施例2
将硼氢化钠与碳酸铵按照1:4质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氮气和氩气混合气氛下，从室温以2℃/min升温至700℃，并在此温度下保持1h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入5mol/L盐酸，在80℃下进行回流和磁力搅拌处理48h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在100℃下进行干燥6h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
参见图2，该实施方案得到氮硼共掺杂碳材料样品的扫描电子显微镜照片，从图中可以发现硼氮共掺杂碳材料结构不是很规整。
实施例3
将硼氢化钾与碳酸铵按照1:8质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氮气氛围下，从室温以5℃/min升温至700℃，并在此温度下保持1h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入6mol/L盐酸，在60℃下进行回流和磁力搅拌处理72h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在80℃下进行干燥6h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
参见图3，该实施方案得到氮硼共掺杂碳材料样品的扫描电子显微镜照片，从图中可以发现硼氮共掺杂碳材料呈片状结构，但是比较厚且结构不是很规整。
实施例4
将硼氢化钾与碳酸铵按照1:3质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氩气氛围下，从室温以5℃/min升温至700℃，并在此温度下保持1h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入6mol/L盐酸，在60℃下进行回流和磁力搅拌处理72h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在80℃下进行干燥6h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
实施例5
将氰基硼氢化钠与碳酸氢铵按照1:5质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氩气氛围下，从室温以10℃/min升温至800℃，并在此温度下保持1h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入6mol/L盐酸，在60℃下进行回流和磁力搅拌处理72h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在80℃下进行干燥6h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
参见图4，为该实施方案得到氮硼共掺杂碳材料样品的扫描电子显微镜照片，从图中可以发现硼氮共掺杂碳材料呈片状结构。
实施例6
将氰基硼氢化钠与碳酸铵按照1:8质量比进行混合研磨，然后转移至烧舟中。
将烧舟放入石英管，在氮气和氩气混合气氛下，从室温以5℃/min升温至750℃，并在此温度下保持2h，冷却至室温后取出，将反应产物转移至圆底烧瓶中加入10mol/L盐酸，在90℃下进行回流和磁力搅拌处理24h。
最后进行离心和洗涤，放入烘箱在80℃下进行干燥6h，得到氮、硼共掺杂碳纳米材料。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请实施例中提供的氮硼共掺杂碳材料及其制备方法，采用温室气体CO2为碳源，既降低了材料的合成成本，同时制备工艺简单，对实验设备要求低，适合大批量生产；通过明确的原料物料比，对最终产品中硼、氮的含量进行调控，满足不同领域的需要。相比传统采用有机化合物或者生物质作为碳源，本发明采用二氧化碳为碳源，价格低廉，同时拓宽了二氧化碳的使用范围，有利于缓解二氧化碳的排放。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括：
将含硼化合物与可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物进行物理混合得到混合物；
将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理，得到碳化产物；
将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料。
2.如权利要求1所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：所述含硼化合物与所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物按照质量比1：3～8进行混合。
3.如权利要求1所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述将所述混合物在惰性气氛下进行碳化处理包括：
在惰性气氛下，将所述混合物以2～10℃/min的升温速度从室温升至600～900℃，并保持1～6h；
自然冷却至室温，得到碳化产物。
4.如权利要求1所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述将所述碳化产物进行酸刻蚀得到氮硼共掺杂碳材料包括：
将所述碳化产物于酸浓度为3～10mol/L的酸液中进行酸化处理，酸处理时间为24～72h，温度在60～90℃，得到酸化处理产物；
用蒸馏水洗涤所述酸化处理产物至滤液呈中性；
将洗涤后的酸化处理产物在温度60～100℃下干燥6～12h，得到氮硼共掺杂碳材料。
5.如权利要求1～4任一项所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述含硼化合物包括：硼氢化钠、硼氢化钾以及氰基硼氢化钠中的一种。
6.如权利要求5所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述可同时分解产生二氧化碳和氨气的化合物包括碳酸铵或者碳酸氢铵。
7.如权利要求5所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述惰性气氛为氮气或者氩气或者两者的混合气体。
8.如权利要求5所述的氮硼共掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，所述酸刻蚀采用的酸溶液为盐酸溶液或者硝酸溶液或硫酸溶液。
9.一种氮硼共掺杂碳材料，其特征在于，采用如权利要求6所述方法制备。
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