一种杂元素掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料领域，涉及一种元素掺杂多孔碳材料，具体涉及一种杂元素 掺杂多孔碳材料、制备方法及其应用。
【背景技术】
[0002] 杂原子掺杂能提高碳材料的表面润湿性、导电性等，使其在电化学方面有更好的 应用。多孔杂原子掺杂的碳材料由于具有高导电性、高的比表面积、高化学稳定性、可调控 的孔径，能够在气体吸附分离储存、催化剂、能量存储、传感器等领域应用广泛，在材料科学 领域方面有着很好的前景。
[0003] β-环糊精(β-CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下 生成的含有7个D-吡喃葡萄糖单元的环状低聚糖，其具有来源丰富、价格便宜等特性。另外， β-环糊精不仅是超分子化学中主体的一员，而且也在碳材料的先驱体占着一席之地。然而， 现有的有机小分子和离子液体在碳化过程中，基本挥发或者被分解成气体，碳产率极低，所 以不能广泛地应用于碳材料的制备。需要制备出碳产率高的前驱体，以提高其实际应用范 围。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种杂元素掺杂多孔碳材料。
[0005] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案是:一种杂元素掺杂多孔碳材料，它由主 体材料和客体材料进行水热反应后，再进行煅烧制得，所述主体材料为β-环糊精，所述客体 材料分子可套入所述主体材料分子的空穴中。
[0006] 优化地，所述客体材料为下列化学结构式中的一种或几种组成的混合物：
，式中，η为1~12的整数，m、o独立地为1~6的整数，X为 Cl、Br、I、PF6SBF4〇
[0007] 进一步地，所述客体材料为下列化学结构式中的一种或几种组成的混合物：
[0008] 优化地，所述主体材料和所述客体材料的摩尔比为1:1~3:1。
[0009] 本发明的又一目的在于提供一种上述杂元素掺杂多孔碳材料的制备方法，它包括 以下步骤： (a) 将所述客体材料分子套入所述主体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离子水，随后置于反应釜中进行水热反应得黑色固体； (c) 将所述黑色固体研磨后进行煅烧即可。
[0010] 优化地，所述步骤(a)为:将所述客体材料和所述主体材料溶于溶剂中，在40~60°C 反应5~20小时，随后旋转蒸发除去溶剂得所述混合材料。
[0011] 优化地，步骤(b)中，所述水热反应为在150~200°C反应15~25小时。
[0012] 优化地，步骤(C)中，所述煅烧为以5~15°C/分钟的速度升温至700~1000°C保温0.5 ~2小时。
[0013] 优化地，它还包括步骤(d)研磨煅烧后的黑色固体，用稀盐酸洗涤，再用去离子水 洗涤至中性，烘干即可。
[0014] 本发明的再一目的在于提供一种上述杂元素掺杂多孔碳材料在超级电容器电极 中的应用。
[0015] 由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明杂元素掺 杂多孔碳材料，通过将主体材料和客体材料进行水热反应后，再进行煅烧制得，使得客体材 料分子可套入环糊精分子的空穴中，不但可以有效提高碳产率，还可以引入杂元素并形 成多孔结构，从而改善碳材料的性能。
【附图说明】
[0016] 附图1为实施例1中杂元素掺杂多孔碳材料的SEM图； 附图2为实施例1中杂元素掺杂多孔碳材料的ΤΕΜ图； 图3为客体材料的热重分析(TGA)图； 图4为主体材料和客体材料复合物的热重分析(TGA)图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明杂元素掺杂多孔碳材料，它由主体材料和客体材料进行水热反应后，再进 行煅烧制得，所述主体材料为β-环糊精，所述客体材料分子可套入所述主体材料分子的空 穴中。通过将主体材料和客体材料进行水热反应后，再进行煅烧制得，使得客体材料分子可 套入β-环糊精分子的空穴中，不但可以有效提高碳产率，还可以引入杂元素并形成多孔结 构，从而改善碳材料的性能。
[0018]所述客体材料优选为下列化学结构式中的一种或几种组成的混合物
，式中，η为1~12的整数，m、o独立地为1~6的整数，X为 (：1、8^1、??6或8?4，这些材料中含有较高的~含量，从而进一步改善碳材料的性能。这些客体 材料优选为下列化学结构式中的一种或几种组成的混合物：
，这些物质与β-环糊精的结合力最好，有利于提高碳 材料的得率。所述主体材料和所述客体材料的摩尔比优选为1:1~3:1，主体材料需要过量， 从而节约成本。
[0019]上述杂元素掺杂多孔碳材料的制备方法，它包括以下步骤:（a)将所述客体材料分 子套入所述主体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离子水，随后 置于反应釜中进行水热反应得黑色固体；（c)将所述黑色固体研磨后进行煅烧即可。该方法 现将混合材料进行水热反应后再进行煅烧，这样既能够使得客体材料和主体材料能够精密 均匀结合并进行预碳化，从而确保碳材料的均匀;而且工艺简单、成本低，适于大规模生产。 所述步骤(a)为:将所述客体材料和所述主体材料溶于溶剂中，在40~60°C反应5~20小时，随 后旋转蒸发除去溶剂得所述混合材料。步骤(b)中，所述水热反应为在150~200°C反应15~25 小时。步骤(c)中，所述煅烧为以5~15°C/分钟的速度升温至700~1000°C保温0.5~2小时。它 还包括步骤(d)研磨煅烧后的黑色固体，用稀盐酸洗涤，再用去离子水洗涤至中性，烘干即 可。上述杂元素掺杂多孔碳材料在超级电容器电极中的应用，具体可参考现有技术，主要是 将制得的碳材料与粘结剂、碳黑等制作成超级电容器电极。
[0020]下面将结合附图实施例对本发明进行进一步说明。
[0021 ] 实施例1 本实施例提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，它包括以下步骤： (a) 将2gβ-ΟΚ1 ·8mmol)与0· 35g对氨基偶氮苯(Ρ-ΑΖ0)( 1 ·8mmol)溶于5mlDMF中，在40 °C加热搅拌溶解得混合材料;向其中加入100ml水，析出沉淀，过滤得固体； (b) 将步骤(a)得到的固体与10g水加入水热反应釜中并密封，在180°C反应24小时，反 应结束后离心得黑色固体； (c) 将步骤(d)黑色固体与Κ0Η以质量比为1:2充分研磨，置于惰性气体气氛中于800°C (升温速率为5°C/分钟)碳化1小时，得到的产物研磨成粉，用lmol/L