CN109467070A - 一种含氮多孔碳气凝胶及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含氮多孔碳气凝胶及其制备方法，其通过如下步骤制备：将多羟基酚与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入氨基酸，氨基酸与多羟基酚的摩尔比为1:8，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温45~55℃充分反应3天，制得间苯二酚‑间苯三酚‑甲醛有机湿凝胶，所述多羟基酚为间苯三酚和间苯二酚的混合物，冷冻干燥，得到有机气凝胶，再经高温炭化得到，其具备较高的比表面积和较大的孔容积，并且操作简单，一步到位，对环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及一种含氮多孔碳气凝胶及其制备方法，属于碳气凝胶制备领域。
背景技术
碳气凝胶是一种新型的轻质多孔材料，因其具有稳定性好、孔隙率高、比表面积大、导电率高及较多的物质及电子传输孔道的特点，广泛应作催化剂载体、储氢材料、吸附材料及超级电容器或锂离子电池的电极材料等，有利于解决当今社会的能源危机及环境污染问题而成为研究热点。
相比普通的碳气凝胶，含氮多孔碳气凝胶具有更多的活性位点，其性能更加优异。由于氮原子与碳原子的直径相近，因此氮原子替代碳材料中的碳原子时，材料的结构不会发生较大的畸变。而氮原子进入到碳材料的纳米结构后，可以有效调变其形态、结构和化学性能，从而改变其反应活性，现有技术中也公开了含氮多孔碳气凝胶的一些研究报道。
CN104446330A公开了一种超高比表面积掺氮碳气凝胶的制备方法，以三聚氰胺、间苯二酚和甲醛为原料，三嵌段共聚物F68为模板剂，氢氧化钠为催化剂，经溶胶-凝胶反应、溶剂交换、常压干燥和高温碳化得到掺氮碳气凝胶；再在高温下以二氧化碳作为活化剂进行活化，得到超高比表面积的掺氮碳气凝胶，通过以三聚氰胺、间苯二酚和甲醛作为反应前驱体，保证得到的材料中掺入氮元素的稳定性和均匀性，得到的掺氮碳气凝胶的BET比表面积最高可达4279 m2/g。
CN105152159A公开了一种氮掺杂碳气凝胶及其制备方法，包括：(1)配制三羟基吡啶溶液，加入间苯二酚，待溶液澄清后，加入甲醛溶液，搅拌加入碳酸钾；(2)放置形成气凝胶；(3)将气凝胶用丙酮进行溶剂交换，得到三羟基吡啶-间苯二酚-甲醛凝胶；(4)将三羟基吡啶-间苯二酚-甲醛凝胶放入超临界二氧化碳萃取仪中，进行二氧化碳超临界干燥，得到干凝胶；(5)将干凝胶放入程序控温炭化炉中，在惰性气体保护下进行烧结，碳化，得到氮掺杂碳气凝胶，其制备方法碳化过程中氮含量不损失，氮含量较传统的以三聚氰胺(大部分分解掉)为氮源的掺杂易于控制。
以上制备方法中，氮源、造孔剂、催化剂都需要单独添加，存在操作复杂，步骤繁琐的缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种电化学性能增强的含氮多孔碳气凝胶，并同时提供其操作简便的制备方法。
为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
技术主题一
本发明提供了一种含氮多孔碳气凝胶，其氮元素的原子量为2.0-3.5at.%。
进一步地，具备如下参数：比表面积900~1500 m2/g，孔径分布 2~78nm，孔容 0.63~0.94cm3/g。
进一步地，其具体通过如下步骤制备：
步骤一：有机湿凝胶制备
将多羟基酚与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入氨基酸，氨基酸与多羟基酚的摩尔比为1:8，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温45~55℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基酚为间苯三酚和间苯二酚的混合物；
步骤二：冷冻干燥
将步骤一得到的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~25mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.2~1.7℃/min的速率升温至300±10℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2.5~3.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
技术主题二
本发明提供一种如技术主题一中所述的含氮多孔碳气凝胶的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入氨基酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温45~55℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将步骤一得到的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~25mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.2~1.7℃/min的速率升温至300±10℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2.5~3.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
进一步地，所述间苯三酚和间苯二酚的摩尔比为1:7。
进一步地，所述氨基酸为亲水氨基酸。
进一步地，所述氨基酸选自所述氨基酸选自碱性氨基酸或酸性氨基酸，优选为：赖氨酸、组氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。
进一步地，所述步骤三中的保护气选自氦气、氖气、氩气和氮气中的一种或两种以上的组合。
进一步地，包括如下步骤：
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入氨基酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5 ℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
本发明在制备过程中氨基酸提供了氮源，在高温碳化过程中氨基酸分解，在氨基酸所在的位置上留下孔，并且可以催化间苯二酚、间苯三酚和甲醛的缩合反应，操作简单，一步到位，避免了污染和能源损耗。
经试验验证，本发明所提供的含氮多孔碳气凝胶的比表面积较高，约为900~1500m2/g，孔径分布为2-78nm，孔容积为0.63-0.94cm3/g，比电容值130-150 F/g。本发明所提供的碳气凝胶的XPS谱图中可以证明氮元素在样品中的存在形式，包括吡咯-氮，吡啶-氮，石墨-氮。本发明所提供的碳气凝胶材料循环使用1000次后衰减很少，很稳定，适合作为电极材料应用到超级电容器。
本发明所提供的含氮多孔碳气凝胶材料的孔结构由介孔和大孔的组成，适合作为电极材料应用到超级电容器，电解液离子可以通过介孔快速达到碳气凝胶材料的内部表面，提高材料比表面积的利用率，并且快速自由迁移形成良好的双电层电容，提高材料的倍率性能，大孔结构在充放电过程中可以充当电解液离子的缓冲池，快速补充离子，同时可以缩短电解液的传输距离，降低传质阻力减少阻塞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1 为实施例1所制备的含氮多孔碳气凝胶的XPS谱图；
图2 为实施例1所制备的含氮多孔碳气凝胶的样品的恒流充放电图（1A/g）；
图3为实施例1所制备的循环次数与比电容值对应图；
图4 为实施例1所制备的碳气凝胶的孔径分布图；
图5为实施例1所制备的碳气凝胶的吸附等温线。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对发明进行清楚、完整的描述。
实施例1
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1450m2/g，孔径分布2-45nm，孔容0.74cm3/g，氮的原子含量3.3 at.%，比电容值为140F/g。
实施例2
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入组氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1400m2/g，孔径分布2-50nm，孔容0.80 cm3/g，氮的原子含量3.5 at.%，比电容值为146F/g。
实施例3
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入天冬氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1220 m2/g，孔径分布2-63 nm，孔容0.69 cm3/g，氮的原子含量2.8 at.%，比电容值为130 F/g。
实施例4
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入谷氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1160 m2/g，孔径分布2-55 nm，孔容0.72 cm3/g，氮的原子含量2.7 at.%，比电容值为125 F/g。
实施例5
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温45℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-75℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1010 m2/g，孔径分布30-62nm，孔容0.76 cm3/g，氮的原子含量3.1 at.%，比电容值为131 F/g。
实施例6
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.7℃/min的速率升温至310℃，然后以2.2℃/min速率升温到910℃后保持2.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1290 m2/g，孔径分布2-40 nm，孔容0.71 cm3/g，氮的原子含量3.2 at.%，比电容值为139F/g。
实施例7
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温55℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-70℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.2℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积1255 m2/g，孔径分布2-45 nm，孔容0.70 cm3/g，氮的原子含量3.2 at.%，比电容值为138F/g。
对比例1
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入尿素，尿素与间苯三酚的摩尔比为1:2，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积632 m2/g，孔径分布2-19 nm，孔容0.43 cm3/g，氮的原子含量3.0 at.%，比电容值为108F/g。
对比例2
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入尿素和氢氧化钠，尿素与间苯三酚和氢氧化钠的摩尔比为1:2:0.005，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积563m2/g，孔径分布7-35nm，孔容0.36cm3/g，氮的原子含量3.0 at.%，比电容值为92F/g。
对比例3
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入二乙醇胺，二乙醇胺与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积578 m2/g，孔径分布5-40 nm，孔容0.40 cm3/g，氮的原子含量3.3 at.%，比电容值为95F/g。
对比例4
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入二乙醇胺，再加入尿素和氢氧化钠，尿素与间苯三酚和氢氧化钠的摩尔比为1:1:0.005，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积612 m2/g，孔径分布8-45 nm，孔容0.38 cm3/g，氮的原子含量3.2 at.%，比电容值为138 F/g。
对比例5
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，赖氨酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入氢氧化钠，氢氧化钠与间苯三酚的摩尔比为0.03:1 ，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积979 m2/g，孔径分布2-61 nm，孔容0.69 cm3/g，氮的原子含量2.6 at.%，比电容值为101 F/g。
对比例6
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比nP/nR为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入赖氨酸，赖氨酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入碳酸，碳酸与间苯三酚的摩尔比为 0.03:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液。将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
制备得到的含氮多孔碳气凝胶参数如下：比表面积962 m2/g，孔径分布2-58 nm，孔容0.57 cm3/g，氮的原子含量2.4 at.%，比电容值为97 F/g。
试验例1
按照实施例1的制备方法，对氨基酸的加入量进行了考察研究，制备得到的碳气凝胶的性能参数见表1，表中第一横行为氨基酸与间苯三酚的摩尔比。
表1 氨基酸加入量考察试验及所得到的碳气凝胶参数表
| 0.1:1 | 0.5:1 | 0.9:1 | 0.95:1 | 1:1 | 1.05:1 | 1.5:1 | 2.0:1 | |
| 比表面积（m<sup>2</sup>/g） | 475 | 782 | 1100 | 1276 | 1470 | 1304 | 1283 | 1016 |
| 孔径分布（nm） | 15-25 | 10-26 | 11-40 | 6-55 | 2-45 | 6-53 | 8-60 | 12-71 |
| 孔容（cm<sup>3</sup>/g） | 0.32 | 0.38 | 0.52 | 0.59 | 0.92 | 0.61 | 0.60 | 0.49 |
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种含氮多孔碳气凝胶，其特征在于，其氮元素的原子量为2.0~3.5at.% 。
2.根据权利要求1所述的一种含氮多孔碳气凝胶，其特征在于，具备如下参数：比表面积900~1500 m2/g，孔径分布 2~78nm，孔容 0.63~0.94cm3/g。
3.根据权利要求1所述的一种含氮多孔碳气凝胶，其特征在于，其具体通过如下步骤制备：
步骤一：有机湿凝胶制备
将多羟基酚与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入氨基酸，氨基酸与多羟基酚的摩尔比为1:8，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温45~55℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶，所述多羟基酚为间苯三酚和间苯二酚的混合物；
步骤二：冷冻干燥
将步骤一得到的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~25mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.2~1.7℃/min的速率升温至300±10℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2.5~3.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
4.一种如权利要求1所述的含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，加入氨基酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温45~55℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将步骤一得到的有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱中，于-70~-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将步骤二得到的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以15~25mL/min的速率不断通入保护气，先从室温以1.2~1.7℃/min的速率升温至300±10℃，然后以1.8~2.2℃/min速率升温到900±10℃后保持2.5~3.5个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
5.根据权利要求4所述的一种含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述间苯三酚和间苯二酚的摩尔比为1:7。
6.根据权利要求4所述的一种含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述氨基酸为亲水氨基酸。
7.根据权利要求4所述的一种含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述氨基酸选自碱性氨基酸或酸性氨基酸，优选为：赖氨酸、组氨酸、天冬氨酸和谷氨酸。
8.根据权利要求4所述的一种含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤三中的保护气选自氦气、氖气、氩气和氮气中的一种或两种以上的组合。
9.根据权利要求4所述的一种含氮多孔碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：有机湿凝胶制备
将间苯三酚和间苯二酚按照摩尔比为1:7混合，然后将间苯二酚和间苯三酚的混合物与甲醛按照摩尔比为1:2混合，再加入氨基酸，氨基酸与间苯三酚的摩尔比为1:1，加入去离子水配制成质量分数为45%的反应液，将反应液混合均匀后密封，保温50℃充分反应3天，制得间苯二酚-间苯三酚-甲醛有机湿凝胶；
步骤二：冷冻干燥
将有机湿凝胶直接放入冷冻干燥箱-80℃干燥一天，得到有机气凝胶；
步骤三：高温炭化
将干燥的有机气凝胶在抽真空条件下炭化，在炭化过程中以20 mL/min的速率不断通入氮气，先从室温以1.5 ℃/min的速率升温至300℃，然后以2℃/min速率升温到900℃后保持3个小时，再缓慢降至室温，即制得黑色的碳气凝胶。
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