1、前言

一氧化二氮（N^₂O），无色有甜味气体，又称笑气。是一种温室气体，对臭氧层具有极大的破坏作用，是二氧化碳的296倍。随着人类的发展，大量的N^₂O被排放的空气中，造成了环境恶化。近年来人们的环保意识增强，对N^₂O的减排成了全世界所关注的问题。N^₂O不单只是一种污染气体，同时还可以用作助燃剂和火箭氧化剂。所以直接催化分解N^₂O技术效率高，性能稳定成为国内外主流技术和发展方向。在这方面，催化剂是关键，而国内催化分解N^₂O的催化剂主要有贵金属催化剂，金属氧化物催化剂，沸石分子筛类催化剂和水滑石类催化剂，都具有较高的催化效率。贵金属催化剂虽能在低温下分解N^₂O，但贵金属成本较高；而其他催化剂虽也具有较好的催化效率，但催化分解温度较高，能耗较大，因此需要一种新型的催化剂。氮掺杂碳材料是一种近年来发现的一种新型材料，它具有很好的性能，具有大的比表面积，它能使活性组分在其表面高度分散，进而提高催化剂的性能，同时兼具优越的电化学性能等等性能，因此，开发一种适用于低温下分解N^₂O的氮掺杂碳材料成为一种社会需求。

2、氮掺杂碳材料

碳材料的性能主要取决于所选用原料、内部结构及其表面活性。其中表面活性被认为是影响碳材料性能的主要因素，对碳材料进行活化和表面功能化可显著改变其表面活性，进而影响材料的最终性能和用途。因此传统的碳材料在一定程度上限制了在其他领域的应用^[1]。相比于传统改性方法，杂原子掺杂（如硼、硫、磷和氮掺杂）可显著改变碳材料的元素构成，操控其表面活性，同时改善其电化学性能^[2]。在众多杂原子中，氮原子与碳原子原子半径接近，使其更容易置换碳材料原子晶格中的碳原子，从而形成氮掺杂碳材料。氮原子比碳原子多1个核外电子，并且具有很高的电子亲和力，从而使氮掺杂碳材料中毗邻N杂原子的碳原子拥有高的正电荷密度，同时N原子孤对电子和碳原子晶格大π键之间存在共轭作用，这使得氮掺杂碳材料体现出优异的电化学性能和催化性能^[3]。在制备氮掺杂碳材料时，当温度在500～1400 ℃时，吡啶型氮、吡咯型氮、石墨型氮和吡啶氮氧化物是其主要形式，其稳定性从高到低的顺序为石墨型氮，吡啶型氮，吡咯型氮和吡啶氮氧化物。当温度升高到1400 ℃以上，几乎全部是石墨型氮。目前研究最多的是在500～1400 ℃，而吡啶氮氧化物对氮掺杂碳载体的性质影响较小，所以常见氮掺杂碳材料中氮类型有吡啶型氮，吡咯型氮和石墨型氮。

3、氮掺杂碳材料的制备

N掺杂碳材料中N原子所处的化学环境是控制其性质的关键。通常，将N掺杂碳材料中的N分为两类：化学氮和结构氮^[4]。化学氮以表面官能团的形式存在，如胺、亚硝基等；而结构氮则直接与碳材料中的碳骨架相连接，如吡啶型-N、石墨型-N等。近几年来，氮掺杂碳材料的制备方法主要有：后处理法和原位合成法。

3.1 后处理法

后处理法是指直接热解富氮前驱体（如氨气，尿素，乙腈等）得到具有高含量的结构氮的碳材料进行后处理，将N掺入碳材料中。即就是通过适当的化学方法将目标官能团引入到预先合成的多孔碳材料中，从而提高材料的某些特定性能。通过后处理制备氮掺杂碳一般有两种方法：(1)将含氮的前驱体碳直接热处理，将含氮的前驱体直接加热处理是一种制备氮掺杂碳材料的简单途径。该方法主要用于制备氮掺杂活性炭膜，氮掺杂石墨烯，氮掺杂层状多孔碳纳米片^[5]。例如，Luo等^[6]在氨气下热分解葡萄糖，当增加反应温度和反应时间后，发现所获得氮掺杂碳材料的比表面积增加了，但是含氮量却下降了，在6h，500 ℃下所获得的氮掺杂碳材料的含氮量最高，高达10.3%。(2)通过水热碳化或高温锻烧湿法合成路线合成氮掺杂碳^[7]。例如Yu^[8]等用一种简单的方法制备了高含量的氮掺杂多孔碳质纳米线。通过变化锻烧温度控制氮的类型。在锻烧过程中，当温度达到900 ℃时，聚毗咯五边形的氮原子被逐步装换为吡啶氮和量子氮。通过后处理方法引入到碳材料表面的含氮官能团一般以化学氮为主要存在形式。当然由于反应条件的不同，尤其在高温、高压条件下部分氮原子也有可能进入到碳的骨架中形成结构氮。但是后处理法的不足之处是合成步骤相对繁琐，并且N的掺杂量较低。

3.2 原位合成法

原位合成法即在合成碳材料过程中直接掺杂氮原子。通常是直接热解含氮前体，使其成为具有高含量N结构的多孔碳材料。目前，最常用的前体包括一些胺基化合物、三聚氰胺、含N杂环化合物以及聚苯胺、聚毗咯等聚合物^[9]。原位氮掺杂碳材料的合成一般使用含氮化合物为前驱体，Xia等通过原位合成法将三嵌段共聚物直接组装在氧化石墨上，可得到石墨烯/氮掺杂有序介孔碳纳米片^[10]。相较于后处理合成法，原位合成法比较简单，在碳材料的合成过程中可以直接将氮元素引入到多孔碳材料的结构中，充分利用各种前驱体，实现氮元素在多孔碳材料中的均匀分布^[11]。通过热处理制备途径可以获得高含氮量，然而材料的比表面积却非常低，很多合成方法都是通过减少含氮量而增加其比表面积。因此在合成方面需要有所创新，急需制备出高孔隙同时具有高氮含量的氮掺杂碳材料^[12]。

3.3其他方法

模板法^[13]，化学气相沉淀法^[14]，化学活化法^[15]，水热法^[16]等也适用于氮掺杂不同结构碳材料。

4、氮掺杂碳材料的催化性能研究

氮掺杂碳材料自身具有很好的催化活可以直接作为催化剂催化化学反应的进行，研究发现主要由于:（1）氮原子中存在特有的电子轨道，N原子的掺杂在六边形碳网络中产生局部张力，导致结构变形，并且由于N原子额外的孤对电子可以带给sp2杂化碳骨架离域π系统负电荷，从而增强了化学反应活性^[17]；同时氮原子引入会使碳材料产生新的活性位点。(2)氮原子的掺杂使碳材料表面产生了许多不同的官能团，具有一定的催化活性。(3)由于碳碳之间发生了sp杂化，使材料可能出现两种不同的活性位点，处于边缘的强位点和中间的弱位点。(4)由于碳材料中缺陷的存在使得其中存在五元环、七元环和其他的链接方式存在。苏党生等人^[18]使用氮掺杂碳材料对苯乙烯的选择性氧化进行了研究，研究表明随着材料中氮元素含量的变化催化剂的活性和选择性均随着发生改变。范红俊等人^[19]制备了空心的共价有机框架，经过后处理得到氮掺杂无金属的中空的碳材料在以水合脐为还原剂还原硝基化合物反应中表现出优异的催化活性。最近研究发现，多孔N掺杂石墨烯可以做类芬顿试剂，通过活化过氧单硫酸盐（PMS）产生自由基以降解难处理污染物，是一种处理环境污染很有前景的催化剂。研究发现，单个Co原子的CoN₄位点展现出高催化性并且具有高稳定性，这种高性能主要归因于：CoN₄位点具有PMS活化的最佳结合能，而相邻的吡咯N位点可以吸附有机分子。这种双反应位点大大减少了由PMS活化产生的活性单线态氧的迁移距离，从而提高了催化性能。我们课题组前期研究发现，氮掺杂石墨烯可以催化NO分解并具有良好的催化性能，拓展了氮掺杂碳材料催化范围。基于以上分析，本研究拟展开氮掺杂碳材料催化N₂O分解的性能研究。

5、小结

目前，相比于其他催化剂，氮掺杂碳材料以其优越的性能已经在相关领域得到很好的应用，但是不能大规模的的生产及更广泛的适用其他领域，因此通过改变氮源参量和类型，焙烧温度，焙烧条件，碳结构，改善制备方法等研究出使氮掺杂碳材料能够更广泛，更环保，更便利的适用于生活。