氮掺杂多孔碳是一类重要的碳材料,它具有较大的比表面积,良好的导电性和亲水性,在超级电容器电极、非均相催化和氧还原催化等方面有很广泛的应用。氮掺杂碳量子点是另一类新型碳材料,它具有较高的荧光强度、低毒性和生物相容性等特点,在离子或分子荧光探针方面有重要的应用前景。采用合适原料,通过简单高效方法合成氮掺杂碳材料,充分发掘其应用潜力对碳材料的开发和性能拓展有积极意义。啤酒富含氨基酸、糖类等多种营养成分,可作为理想的碳氮源来通过溶剂热操作制备元素掺杂碳材料。本文采用啤酒作为前驱体,通过简单的水热反应同时合成氮掺杂多孔碳微球和碳量子点,微球材料在超级电容器及氧还原电极材料和非均相催化方面都展示出良好的应用性能,而碳量子点呈现出较高的荧光量子产率和优越的荧光稳定性,我们对这两类材料进行细致的结构表征和性能分析,主要内容包括以下几个方面:(1)以啤酒为前驱体水热合成了多孔氮掺杂碳微球(PCM)沉淀,通过用Zn Cl2高温活化得到高比表面积、导电性和亲水性良好的多孔氮掺杂碳微球(a-PCM)。对aPCM进行结构分析发现,其内部碳骨架上的吡啶型氮和石墨型氮对a-PCM的应用性能有很大的帮助。作为超级电容器电极a-PCM能提供较高电双层电容和一定的赝电容,在1 A/g电流密度下,其比电容为273.2 F/g,这在合成的各种碳微球种类中是比较高的。(2)a-PCM可作为非金属催化剂对4-硝基苯酚的还原反应有较高的催化活性。结构分析发现,氮元素的掺杂可改变相邻碳原子的电负性,使碳原子呈现出与金属类似的催化性质。相比传统的贵金属催化剂,a-PCM作为非金属催化剂能够有效降低催化剂成本,在非均相催化方面有很大应用潜力。(3)a-PCM可用作氧还原反应(ORR)的阴极催化剂,替代传统的Pt或Pt基催化材料。将a-PCM用于碱性氧还原体系,能展示出较高的氧还原催化活性。因此,将aPCM作为氧还原催化将极大地降低成本并且进一步提高氧还原催化活性。(4)以啤酒为前驱体水热也同时合成了氮掺杂碳量子点(NCQDs)水溶液,该NCQDs对酸碱度敏感,再结合氮掺杂碳量子点都具有的生物相容性的特点,可以将NCQDs作为p H敏感的荧光探针应用于生物医学方面。另外,向NCQDs中加入不同的阳离子和阴离子(400μM)后,发现其荧光强度几乎没有发生变化,说明NCQDs的抗干扰能力很强;同时,NCQDs在干燥状态仍呈现出良好荧光性能。(5)将NCQDs与氧化石墨烯(GO)作为反应物,经过水热后形成了三维柱状的石墨烯/氮掺杂碳量子点(3DG/NCQDs)复合物,该复合物具有较高的比表面积和导电性。将3DG/NCQDs用于超级电容器电极,发现在1 A/g电流密度下,其比电容为287.5 F/g,这远远大于单纯的三维柱状石墨烯的比电容127.4 F/g。该复合材料同时具备良好的倍率和循环稳定性,显示出3DG/NCQDs在超级电容器方面的应用前景。