一種雜元素?fù)诫s多孔碳材料、制備方法及其應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料領(lǐng)域，涉及一種元素?fù)诫s多孔碳材料，具體涉及一種雜元素 摻雜多孔碳材料、制備方法及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 雜原子摻雜能提高碳材料的表面潤濕性、導(dǎo)電性等，使其在電化學(xué)方面有更好的 應(yīng)用。多孔雜原子摻雜的碳材料由于具有高導(dǎo)電性、高的比表面積、高化學(xué)穩(wěn)定性、可調(diào)控 的孔徑，能夠在氣體吸附分離儲存、催化劑、能量存儲、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，在材料科學(xué) 領(lǐng)域方面有著很好的前景。
[0003] β-環(huán)糊精(β-CD)是直鏈淀粉在由芽孢桿菌產(chǎn)生的環(huán)糊精葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶作用下 生成的含有7個D-吡喃葡萄糖單元的環(huán)狀低聚糖，其具有來源豐富、價格便宜等特性。另外， β-環(huán)糊精不僅是超分子化學(xué)中主體的一員，而且也在碳材料的先驅(qū)體占著一席之地。然而， 現(xiàn)有的有機(jī)小分子和離子液體在碳化過程中，基本揮發(fā)或者被分解成氣體，碳產(chǎn)率極低，所 以不能廣泛地應(yīng)用于碳材料的制備。需要制備出碳產(chǎn)率高的前驅(qū)體，以提高其實(shí)際應(yīng)用范 圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種雜元素?fù)诫s多孔碳材料。
[0005] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:一種雜元素?fù)诫s多孔碳材料，它由主 體材料和客體材料進(jìn)行水熱反應(yīng)后，再進(jìn)行煅燒制得，所述主體材料為β-環(huán)糊精，所述客體 材料分子可套入所述主體材料分子的空穴中。
[0006] 優(yōu)化地，所述客體材料為下列化學(xué)結(jié)構(gòu)式中的一種或幾種組成的混合物：

，式中，η為1~12的整數(shù)，m、o獨(dú)立地為1~6的整數(shù)，X為 Cl、Br、I、PF6SBF4〇
[0007] 進(jìn)一步地，所述客體材料為下列化學(xué)結(jié)構(gòu)式中的一種或幾種組成的混合物：

[0008] 優(yōu)化地，所述主體材料和所述客體材料的摩爾比為1:1~3:1。
[0009] 本發(fā)明的又一目的在于提供一種上述雜元素?fù)诫s多孔碳材料的制備方法，它包括 以下步驟： (a) 將所述客體材料分子套入所述主體材料分子的空穴中得混合材料； (b) 向所述混合材料中加入去離子水，隨后置于反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)得黑色固體； (c) 將所述黑色固體研磨后進(jìn)行煅燒即可。
[0010] 優(yōu)化地，所述步驟(a)為:將所述客體材料和所述主體材料溶于溶劑中，在40~60°C 反應(yīng)5~20小時，隨后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑得所述混合材料。
[0011] 優(yōu)化地，步驟(b)中，所述水熱反應(yīng)為在150~200°C反應(yīng)15~25小時。
[0012] 優(yōu)化地，步驟(C)中，所述煅燒為以5~15°C/分鐘的速度升溫至700~1000°C保溫0.5 ~2小時。
[0013] 優(yōu)化地，它還包括步驟(d)研磨煅燒后的黑色固體，用稀鹽酸洗滌，再用去離子水 洗滌至中性，烘干即可。
[0014] 本發(fā)明的再一目的在于提供一種上述雜元素?fù)诫s多孔碳材料在超級電容器電極 中的應(yīng)用。
[0015] 由于上述技術(shù)方案運(yùn)用，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明雜元素?fù)?雜多孔碳材料，通過將主體材料和客體材料進(jìn)行水熱反應(yīng)后，再進(jìn)行煅燒制得，使得客體材 料分子可套入環(huán)糊精分子的空穴中，不但可以有效提高碳產(chǎn)率，還可以引入雜元素并形 成多孔結(jié)構(gòu)，從而改善碳材料的性能。
【附圖說明】
[0016] 附圖1為實(shí)施例1中雜元素?fù)诫s多孔碳材料的SEM圖； 附圖2為實(shí)施例1中雜元素?fù)诫s多孔碳材料的ΤΕΜ圖； 圖3為客體材料的熱重分析(TGA)圖； 圖4為主體材料和客體材料復(fù)合物的熱重分析(TGA)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明雜元素?fù)诫s多孔碳材料，它由主體材料和客體材料進(jìn)行水熱反應(yīng)后，再進(jìn) 行煅燒制得，所述主體材料為β-環(huán)糊精，所述客體材料分子可套入所述主體材料分子的空 穴中。通過將主體材料和客體材料進(jìn)行水熱反應(yīng)后，再進(jìn)行煅燒制得，使得客體材料分子可 套入β-環(huán)糊精分子的空穴中，不但可以有效提高碳產(chǎn)率，還可以引入雜元素并形成多孔結(jié) 構(gòu)，從而改善碳材料的性能。
[0018]所述客體材料優(yōu)選為下列化學(xué)結(jié)構(gòu)式中的一種或幾種組成的混合物

，式中，η為1~12的整數(shù)，m、o獨(dú)立地為1~6的整數(shù)，X為 (：1、8^1、??6或8?4，這些材料中含有較高的~含量，從而進(jìn)一步改善碳材料的性能。這些客體 材料優(yōu)選為下列化學(xué)結(jié)構(gòu)式中的一種或幾種組成的混合物：

，這些物質(zhì)與β-環(huán)糊精的結(jié)合力最好，有利于提高碳 材料的得率。所述主體材料和所述客體材料的摩爾比優(yōu)選為1:1~3:1，主體材料需要過量， 從而節(jié)約成本。
[0019]上述雜元素?fù)诫s多孔碳材料的制備方法，它包括以下步驟:（a)將所述客體材料分 子套入所述主體材料分子的空穴中得混合材料；（b)向所述混合材料中加入去離子水，隨后 置于反應(yīng)釜中進(jìn)行水熱反應(yīng)得黑色固體；（c)將所述黑色固體研磨后進(jìn)行煅燒即可。該方法 現(xiàn)將混合材料進(jìn)行水熱反應(yīng)后再進(jìn)行煅燒，這樣既能夠使得客體材料和主體材料能夠精密 均勻結(jié)合并進(jìn)行預(yù)碳化，從而確保碳材料的均勻;而且工藝簡單、成本低，適于大規(guī)模生產(chǎn)。 所述步驟(a)為:將所述客體材料和所述主體材料溶于溶劑中，在40~60°C反應(yīng)5~20小時，隨 后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑得所述混合材料。步驟(b)中，所述水熱反應(yīng)為在150~200°C反應(yīng)15~25 小時。步驟(c)中，所述煅燒為以5~15°C/分鐘的速度升溫至700~1000°C保溫0.5~2小時。它 還包括步驟(d)研磨煅燒后的黑色固體，用稀鹽酸洗滌，再用去離子水洗滌至中性，烘干即 可。上述雜元素?fù)诫s多孔碳材料在超級電容器電極中的應(yīng)用，具體可參考現(xiàn)有技術(shù)，主要是 將制得的碳材料與粘結(jié)劑、碳黑等制作成超級電容器電極。
[0020]下面將結(jié)合附圖實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。
[0021 ] 實(shí)施例1 本實(shí)施例提供一種氮摻雜多孔碳材料的制備方法，它包括以下步驟： (a) 將2gβ-ΟΚ1 ·8mmol)與0· 35g對氨基偶氮苯(Ρ-ΑΖ0)( 1 ·8mmol)溶于5mlDMF中，在40 °C加熱攪拌溶解得混合材料;向其中加入100ml水，析出沉淀，過濾得固體； (b) 將步驟(a)得到的固體與10g水加入水熱反應(yīng)釜中并密封，在180°C反應(yīng)24小時，反 應(yīng)結(jié)束后離心得黑色固體； (c) 將步驟(d)黑色固體與Κ0Η以質(zhì)量比為1:2充分研磨，置于惰性氣體氣氛中于800°C (升溫速率為5°C/分鐘)碳化1小時，得到的產(chǎn)物研磨成粉，用lmol/L