CN114212768A - 表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法 - Google Patents

表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，该方法以氢氧化镁、分散剂和水进行水热处理后与多巴胺反应，得到聚多巴胺包覆氢氧化镁的复合物，再将乙酰丙酮化合物分散到复合物中，通过焙烧、酸洗，最后得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料。本发明工艺简单，成本低廉，制备得到的空心碳材料为六角状，且有较高的分散性、比表面积大、结晶度高等优点。

Description

表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法
技术领域
本发明属于纳米材料制备领域，具体涉及一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法。
背景技术
二维纳米材料因其较大的比表面积、独特的表面化学性质和较强的二维量子尺寸限域效应，这些特征使得二维纳米材料在催化、传感器、能量存储和转换等领域展示广阔的应用前景，但是二维纳米材料受到范德华力作用，容易聚集在一起形成块体状材料，影响其性能的发挥，因此如何制备能不堆积在一起二维片状纳米材料是一个新兴研究方向。
目前很少有涉及二维空心纳米碳材料的研究报道。在二维层面上研究最多的是碳纳米薄片。然而，由于曲折孔隙中离子输运的动力学限制，二维碳纳米薄片不能满足实际应用的要求。研究表明，提高比电容的第一种方法是在碳中引入杂原子，为赝电容提供丰富的活性位点，获得更好的导电性；还有一种途径是扩大比表面积，同样被证明能有效提高比电容。例如，通过煅烧过程中的自活化将块状层状邻苯二甲酰亚胺钾盐转化为新型氮掺杂二维碳片(Zhou J,Jiang L,Shu C,et al.A Universal Strategy For N-Doped 2D CarbonNanosheets With Sub-Nanometer Micropore For High-Performance Supercapacitor[J].Energy&Environmental Materials,2020,4(4):569-576.)。
现有技术中，用多巴胺合成聚多巴胺并进一步碳化制备多孔碳材料是制备纳米碳材料的一种方法，如专利CN107572497A公开了一种氮掺杂等级孔碳材料的制备方法，基于模板法，利用多巴胺分子在弱碱性的Tris溶液中易发生聚合反应形成聚多巴胺的特点，使多巴胺聚合在纳米级的氧化锌粉末表面，得到初步的纳米氧化锌-聚多巴胺复合结构；在接下来的碳化过程中，作为碳前驱体的聚多巴胺层形成富氮多孔碳，内部的纳米氧化锌在高温作用下被碳还原分解，为富氮多孔碳造孔，最终进一步脱去残留的氧化锌模板形成了氮掺杂的等级孔碳材料。
然而，用多巴胺制备聚多巴胺时候采用加入碱性的缓冲溶液(tris)或者往多巴胺溶液中加入氨水等碱性试剂来调节成pH大于8的碱性溶液，该过程非常繁琐，制备效率不高，因此迫切需要一种简便的用多巴胺合成多孔材料的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，而提供一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，这种内部空心的片状材料不容易堆积在一起，同时内部具有较大的孔体积，可以作为载体或者主题材料容纳更多的客体，本发明工艺简单，成本低廉，制备得到的空心碳材料为六角状，且有较高的分散性、比表面积大、结晶度高等优点。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，具体制备步骤如下：
(a)将氢氧化镁、分散剂和水混合搅拌，配成悬浮液，装入反应釜中，在一定温度下水热反应一段时间；
(b)将反应后的产物与多巴胺混合后，一定温度下搅拌一段时间后，将混合物过滤、冷冻干燥、研磨，得到氢氧化镁/多巴胺复合物；
(c)将乙酰丙酮化合物的乙醇溶液加入到上述氢氧化镁/多巴胺复合物中，不断搅拌，直至乙醇挥发完，然后研磨，并将样品在氮气气氛下程序升温到一定温度下碳化；
(d)将碳化后的样品加入一定浓度的酸中，一定温度下水热反应一段时间后，冷却后取出，离心分离，然后冷冻干燥，最后得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料。
优选地，步骤(a)中，悬浮液中氢氧化镁与水的质量比为1:50～1:60。
优选地，步骤(a)中，所述分散剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基磺酸钠或二者的混合物，分散剂为氢氧化镁质量的0.1～1.5倍，进一步优选为十二烷基磺酸钠。
优选地，步骤(a)中反应釜的水热温度为150～200℃，反应时间为6～26h，进一步优选为6～8h。
优选地，所述多巴胺与氢氧化镁的质量比为0.1～1.0：1，进一步优选0.3～0.8：1。
优选地，所述乙酰丙酮化合物为乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍的一种或以上混合物，其中乙酰丙酮化合物与多巴胺的质量比为0.2～1.0：1。
优选地，步骤(c)采用程序升温的方法，以1～3℃/min焙烧温度升温到800～1000℃，煅烧时间为2小时，得到氧化镁/碳复合物。
优选地，步骤(d)将得到的氧化镁/碳复合物加入到盐酸、硫酸或硝酸的一种或以上混合物中，酸的浓度在1～3.0mol.L-1，水热温度100～160℃，水热时间24小时，进一步优选地，步骤(d)中酸浓度为2mol/L，水热温度为100℃，水热时间为24h，干燥温度为40℃，干燥时间为24h，置于烘箱中进行。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
现有技术中，中空碳材料或者介孔碳材料的制备多用二氧化硅作为模板，碳材料的形貌多为球状，而在本发明中，采用六角片状氢氧化镁为模板，产物为表面开孔的二维片状六角空心碳材料；再者，由于多巴胺在碱性条件下会自发聚合生成聚多巴胺，所以现有制备聚多巴胺时需加入碱性的缓冲溶液(tris)或氨水等碱性试剂来调节pH。根据多巴胺聚合反应机理来解释，这是因为聚合是由多巴胺分子的氧化反应开始，然后氧化产物多巴胺醌经过亲核分子内环化反应，最终生成5,6－二羟基吲哚。
在大多数研究机理中，多巴胺醌和5,6－二羟基吲哚被认为是聚多巴胺的主要组分。碱性更有利于反应向聚合方向发生。相比这一经典多巴胺包覆模板策略，本发明的另一个创新之处在于水热制备氢氧化镁模板的同时创造了一个碱性环境，为后续多巴胺合成聚多巴胺吸附在模板表面创造了条件，制备过程简便快捷，无需添加任何溶液或试剂来调节pH，且产物分散性优异。可以更好地应用于光、电等材料领域。
附图说明
图1为实施例1制备得到的表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳扫描电镜图。
图2为实施例1制备得到的表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳的XRD图。
图3为实施例1制备得到的表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳的氮气吸脱附图。
图4为实施例1制备得到的表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳的孔径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，采用如下步骤的制备方法制备得到：
将0.2g十二烷基磺酸钠与60mL水混合均匀后，加入1g氢氧化镁，搅拌30min，将悬浮液转移至不锈钢反应釜中，反应温度150℃，反应时间为6h。往反应后所得悬浮液中加入0.3g多巴胺，30℃下水浴搅拌24h，除去上清液，产物冷冻干燥，获得氢氧化镁/多巴胺复合物。然后将1.0g乙酰丙酮铁溶于20mL乙醇中，与氢氧化镁/多巴胺复合物混合搅拌，待乙醇挥发完全后，在N2中800℃煅烧2h。碳化后，用50ml 1mol.L-1盐酸100度水热24小时。过滤，所得滤饼经洗涤除去氯化镁，干燥、粉碎得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳。
产品的扫描电镜(SEM)图见附图1，可以看到二维片状六角空心碳表面开裂着小孔；X-射线衍射(XRD)图谱(图2)显示在2theta在26度左右是碳的衍射峰，2theta在18度左右是铁的特征峰；图3为氮气吸脱附图，计算得出该材料的比表面积为652.1m2/g，孔体积为1.64cm3/g。图4为孔径分布图，可以看出材料的孔径分布比较宽。
实施例2
一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，采用如下步骤的制备方法制备得到：
将0.1g十二烷基磺酸钠与60mL水混合均匀后，加入1g氢氧化镁，搅拌30min，将悬浮液转移至不锈钢反应釜中，反应温度200℃，反应时间为26h。往反应后所得悬浮液中加入0.1g多巴胺，30℃下水浴搅拌24h，除去上清液，产物冷冻干燥，获得氢氧化镁/多巴胺复合物。然后将1g乙酰丙酮镍溶于20mL乙醇中，与氢氧化镁/多巴胺复合物混合搅拌，待乙醇挥发完全后，在N2中800℃煅烧2h碳化，用50ml 2.0mol.L-1硫酸160度反应24小时。过滤，所得滤饼经洗涤、干燥、粉碎得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳。
实施例3
一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，采用如下步骤的制备方法制备得到：
将0.2g SDS与60mL水混合均匀后，加入1g氢氧化镁，搅拌30min，将悬浮液转移至不锈钢反应釜中，反应温度160℃，反应时间为24h。往反应后所得悬浮液中加入0.3g多巴胺，30℃下水浴搅拌24h，除去上清液，产物冷冻干燥，获得氢氧化镁/多巴胺复合物。然后将1g乙酰丙酮铁溶于20mL乙醇中，与氢氧化镁/多巴胺复合物混合搅拌，待乙醇挥发完全后，在N2中800℃煅烧2h。碳化后，用3mol.L-150ml硝酸溶液150度下水热24小时，过滤，所得滤饼经洗涤、干燥、粉碎得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳。
实施例4
一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，采用如下步骤的制备方法制备得到：
将0.2g SDS与60mL水混合均匀后，加入2.0g氢氧化镁，搅拌30min，将悬浮液转移至不锈钢反应釜中，反应温度160℃，反应时间为6h。往反应后所得悬浮液中加入1.0g多巴胺，30℃下水浴搅拌24h，除去上清液，产物冷冻干燥，获得氢氧化镁/多巴胺复合物。然后将2.0g乙酰丙酮镍溶于20mL乙醇中，与氢氧化镁/多巴胺复合物混合搅拌，待乙醇挥发完全后，在N2中800℃煅烧2h碳化，然后加入50ml 2.0mol.L-1盐酸水热100度24小时。过滤，所得滤饼经洗涤、干燥、粉碎得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，具体制备步骤如下：
(a)将氢氧化镁、分散剂和水混合搅拌，配成悬浮液，装入反应釜中，在一定温度下水热反应一段时间；
(b)将反应后的产物与多巴胺混合后，一定温度下搅拌一段时间后，将混合物过滤、冷冻干燥、研磨，得到氢氧化镁/多巴胺复合物；
(c)将乙酰丙酮化合物的乙醇溶液加入到上述氢氧化镁/多巴胺复合物中，不断搅拌，直至乙醇挥发完，然后研磨，并将样品在氮气气氛下程序升温到一定温度下碳化；
(d)将碳化后的样品加入一定浓度的酸中，一定温度下水热反应一段时间后，冷却后取出，离心分离，然后冷冻干燥，最后得到表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，悬浮液中氢氧化镁与水的质量比为1:50～1:60。
3.根据权利要求1所述的一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中，所述分散剂为十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基磺酸钠或二者的混合物，分散剂为氢氧化镁质量的0.1～1.5倍。
4.根据权利要求1所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(a)中反应釜的水热温度为150～200℃，反应时间为6～26h。
5.根据权利要求1所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，所述多巴胺与氢氧化镁的质量比为0.1～1.0：1。
6.根据权利要求5所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，所述多巴胺与氢氧化镁的质量比为0.3～0.8：1。
7.根据权利要求1所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，所述乙酰丙酮化合物为乙酰丙酮铁、乙酰丙酮钴或乙酰丙酮镍的一种或以上混合物，其中乙酰丙酮化合物与多巴胺的质量比为0.2～1.0：1。
8.根据权利要求1所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(c)采用程序升温的方法，以1～3℃/min焙烧温度升温到800～1000℃，煅烧时间为2小时，得到氧化镁/碳复合物。
9.根据权利要求1所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(d)将得到的氧化镁/碳复合物加入到盐酸、硫酸或硝酸的一种或以上混合物中，酸的浓度在1～3.0mol.L-1，水热温度100～160℃，水热时间24小时。
10.根据权利要求9所述一种表面开孔的氮掺杂二维片状六角空心碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(d)中酸浓度为2mol/L，水热温度为100℃，水热时间为24h，干燥温度为40℃，干燥时间为24h，置于烘箱中进行。
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