本發明涉及無機材料制備工藝技術領域，具體涉及一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法和應用。

背景技術：

目前制備多孔碳材料用的最多的是硬模板法和軟模板法。早在1982年，用硬模板法合成多孔碳材料就已經被提出來[Chromatographia,1982,16,138-146]，Ryoo等人證明二氧化硅的介孔能夠被碳的前驅體（比如蔗糖）填充，從而從二氧化硅模板中生成一個碳的復制品[J. Am. Chem. Soc, 2000,122,10712-10713]。然而軟模板法與硬模板不同的是，軟模板法中模板與碳前驅體之間的化學反應在軟模板合成多孔碳材料的過程中要起到關鍵作用[Chem. Int. Ed, 2008, 47,3696-3717; Chem. Int. Ed, 2006, 45,7664-7667]。

隨著經濟的不斷發展，能源和環境問題也日益突出，超級電容器作為一種高效的，清潔的儲能器件，因此受到了許多專家學者的關注。由于模板法制備的碳材料的孔徑過于單一，當作為超級電容器的材料時，不利于離子的傳輸和擴散。傳統的模板法過于復雜，制備時間長，實用性不強而且在碳材料的純度上也難以得到保障。所以，尋求一種簡單方便，實用性強，能制備出多孔結構，大的比表面積，適當的氮含量的碳材料成為了許多研究人員所研究的熱點[Ady. Energy. Mate, 2012,2,419-424]。

多孔結構的碳材料指的是包含不同尺寸的形狀的孔的碳材料，摻雜氮元素可以提高碳材料的電化學性能[Adv. Mater,2010,22,5202-5206]，因此這種材料廣泛應用于超級電容器，電池，催化等領域，引起了各界科學家的廣泛關注，因此這方面的研究呈現出爆炸式的增長。近年來，有大量的工作致力于尋求一種比表面積大的，導電性強的，有利于電化學性能的材料，如：石墨烯，碳納米管等，擁有良好的電化學和超高的理論的比表面積成為了研究的熱點，但是由于價格較高，在實際應用方面還是很有限的，因此也阻礙的它們的發展。用含氮的化合物作為一種碳源，其中此類的含氮的化合物中還有三個氮原子，可以使碳材料氮摻雜，且方法快捷和簡便，能夠在短時間之內制備出大量優異性能的氮摻雜多孔結構碳材料。

技術實現要素：

本發明的目的是一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法和應用。

為了實現上述發明目的，本發明采用的技術方案為：

一種氮摻雜多孔結構碳材料由無機堿與含氮的化合物按一定質量比為（0.1～4.0）：2.0反應制備而得，材料的比表面積范圍在1620~3214m²g^-1。

一種氮摻雜多孔結構碳材料及其制備方法包括以下步驟：

步驟（1），將無機堿與含氮的化合物按質量比為（0.1～4.0）：2.0研磨后充分混合，所述的無機堿為氫氧化鉀、氫氧化鈉或氫氧化鋰的任意一種或幾種的混合，所述的含氮的化合物為二乙烯三胺五乙酸、二乙烯三胺五乙酸五鈉、二乙烯三胺五乙酸二酐或二亞乙基三胺五乙酸的任意一種或幾種的混合；

步驟（2），將混合物放入加熱爐中在惰性氣體的保護下反應，所述反應的條件為，反應溫度為350～950℃，反應時間為1～6小時；

步驟（3）先用低濃度的酸洗滌，收集產物后，再用去離子水或無水乙醇反復洗滌多次后過濾，然后將收集的樣品在60～150℃溫度下干燥，即可得氮摻雜多孔結構碳材料，所述低濃度的酸為稀鹽酸或稀硫酸。

一種氮摻雜多孔結構碳材料作為超級電容器電極材料的應用，當電流密度為0.5A g^-1時，比電容值范圍在260~320 F g^-1。

本發明的氮摻雜多孔結構碳材料的氮氣吸附性能測試是在美國康塔公司（Quantachrome Instruments）Autosorb-1型物理吸附儀上進行的，具體操作過程為：

1）稱取0.1～0.3 g樣品，放入樣品池，在脫氣站中于200℃下脫氣6小時；

2）在77 K下進行低溫氮氣吸附測試，用液氮降溫。

測試結果表明：該氮摻雜多孔結構碳材料具有豐富的微孔和介孔結構，有較高的比表面積，材料的比表面積范圍在1620~3214 m²g^-1。

本發明的氮摻雜多孔結構碳材料的電化學的性能測試在電化學工作站上進行（Chenhua Co. Ltd., Shanghai, China）采用的是三電極測試系統。

測試結果表明：在不同的掃描速率下，循環伏安曲線保持良好的類似于矩形形狀，且恒電流充放電的測試中，在不同的電流密度下，該碳材料展現出了一個勻稱的三角形形狀，說明具優良的電化學的特性，當電流密度為0.5Ag^-1時，比電容值范圍在260~320 F g^-1。

本發明相對于現有技術，具有以下優點：

1. 本發明中利用無機堿與含氮的化合物在惰性氣體的保護下，在加熱的過程中，由于含氮的化合物脫去羧基可以產生CO₂氣體，以至于可以制備出多孔結構的碳材料，同時，也保留了含氮的化合物中的氮元素，有利于提高材料的電化學性能。

2. 采用無機堿和碳源直接活化的方法，合成工藝簡單，成本低，能夠在短的時間得到具有高質量的產物。

3. 本發明制備出氮摻雜多孔結構碳材料，比表面積最高的達到了3214 m²g^-1，并具有優良的穩定性；該材料作為超級電容器的電極材料，有超高的比電容，當電流密度為0.5Ag^-1時，比電容值高達320 Fg^-1。

因此，本發明在多孔材料，特別是超級電容器領域具有廣闊的應用前景。

附圖說明：

圖1為具體實施例1的低溫氮氣等溫吸附曲線；

圖2為具體實施例1制備的氮摻雜多孔結構碳材料的電容循環伏安圖；

圖3為具體實施例1氮摻雜多孔碳材料的電容特性圖；

圖4為具體實施例2的低溫氮氣等溫吸附曲線；

圖5為具體實施例2制備的氮摻雜多孔碳材料的電容循環伏安圖；

圖6為具體實施例2氮摻雜多孔碳材料的電容特性圖。

具體實施方式

本發明通過實施例，結合說明書附圖對本發明內容作進一步詳細說明，但不是對本發明的限制。

實施例1

本發明氮摻雜多孔結構碳材料的制備方法的具體操作步驟如下：

步驟（1），稱取4g的氫氧化鉀放在瑪瑙研缽中研磨成粉末狀，稱取4g的二乙烯三胺五乙酸與其充分混合；

步驟（2），將混合物放入管式爐中，在惰性氣體的保護下，于600 ℃下反應2小時，降溫后，得到黑色粉末；

步驟（3），先用1 mol/L稀鹽酸洗滌，再用去離子水反復洗滌后抽濾，80℃溫度下干燥，得到氮摻雜多孔結構碳材料。

氮摻雜多孔結構碳材料的低溫氮氣等溫吸附性能測試條件為在200℃條件下脫氣6小時，然后在77 K條件下進行氮氣等溫吸附。測試結果如圖1所示，比表面積為1620 m²g^-1。

氮摻雜多孔結構碳材料作為超級電容器電極材料的應用，其電化學的性能測試在電化學工作站上進行。包括循環伏安曲線，測試結果如圖2所示，在不同的掃描速率下，循環伏安曲線保持良好的類似于矩形形狀，表明有良好的雙電層電容的性能。恒電流充放電，測試結果如圖3所示，電流密度為0.5Ag^-1時，比電容值達260 Fg^-1。

實施例2

本發明氮摻雜多孔結構碳材料的制備方法的具體操作步驟如下：

步驟（1），稱取2g的氫氧化鉀放在瑪瑙研缽中研磨成粉末狀，稱取4g的二乙烯三胺五乙酸與其充分混合；

步驟（2），將混合物放入管式爐中，在惰性氣體的保護下，于800 ℃下反應2小時，降溫后，得到黑色粉末；

步驟（3），先用1 mol/L稀鹽酸洗滌，再用去離子水反復洗滌后抽濾，80℃溫度下干燥，得到氮摻雜多孔結構碳材料。

氮摻雜多孔結構碳材料的低溫氮氣等溫吸附性能測試條件為在200℃條件下脫氣6小時，然后在77 K條件下進行氮氣等溫吸附。試結果如圖4所示，實施例2所得材料主要有微孔和介孔結構，比表面積高達3214 m²g^-1。

氮摻雜多孔結構碳材料作為超級電容器電極材料的應用，其電化學的性能測試在電化學工作站上進行。包括循環伏安曲線，測試結果如圖5所示，在不同的掃描速率下，循環伏安曲線保持良好的類似于矩形形狀，表明有良好的雙電層電容的性能。恒電流充放電，測試結果如圖6所示，在不同的電流密度下，展現出了一個勻稱的三角形形狀，說明具有理想的電化學的特性。電流密度為0.5Ag^-1時，比電容值高達320 Fg^-1。