[發(fā)明專(zhuān)利]一種由生物質(zhì)熱解碳化制備含氮碳材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410213859.0
• 申請(qǐng)日: 2014-05-20
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103992144A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張穎;徐祿江;姚倩;韓錚
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C05C11/00
• 分類(lèi)號(hào): C05C11/00;H01B1/04;B01J32/00;B01J27/24
• 代理公司: 中科專(zhuān)利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 賀衛(wèi)國(guó)

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及含氮碳材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種由生物質(zhì)熱解制備含氮碳材料的方法。

背景技術(shù)

生物質(zhì)是自然界存在最多、分布最廣的一類(lèi)重要的有機(jī)化合物，主要由碳、氫、氧所組成。隨著全球范圍內(nèi)煤和石油資源的消耗和污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重，人們尋找一種可再生的、潔凈能源的需求越來(lái)越迫切。相比于化石能源，生物質(zhì)能源具有分布廣、總量大、無(wú)污染、可再生的特點(diǎn)。此外，廢棄蛋白、城市有機(jī)垃圾等廢棄物大量流失，未得到有效利用，造成極大的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。生物質(zhì)資源是有機(jī)碳的唯一可持續(xù)來(lái)源，也是唯一可以轉(zhuǎn)化為液體燃料的可再生資源。生物質(zhì)熱解尤其是快速熱解可以得到高附加值的液體燃料和化學(xué)品，被認(rèn)為是利用生物質(zhì)的最有效的方式之一。在生物質(zhì)熱解過(guò)程中一般會(huì)伴隨產(chǎn)生大量具有芳香類(lèi)的固體物質(zhì)，我們稱(chēng)之為生物質(zhì)碳。通常，生物質(zhì)碳?xì)w屬為黑碳。

土壤有機(jī)質(zhì)(SOM)是土壤肥力的重要的指標(biāo)，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)中碳匯的主要來(lái)源之一。大量研究表明，生物質(zhì)碳的施用可提高土壤肥效，增加作物產(chǎn)量，在土壤中施加生物質(zhì)碳，可以培肥土壤，提高SOM，持久保留土壤中的養(yǎng)分，主要取決于生物質(zhì)碳用量及穩(wěn)定性，比表面積及多孔性促使生物質(zhì)碳吸附SOM(土壤有機(jī)質(zhì))，催化活性小的有機(jī)分子聚合形成SOM，促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成。另外，其生物穩(wěn)定性可促進(jìn)土壤腐殖質(zhì)的形成，構(gòu)筑土壤肥力。此外，生物質(zhì)碳還可有效調(diào)節(jié)土壤中N、P、K等營(yíng)養(yǎng)元素的循環(huán)，提高土壤保水保肥能力。

碳材料結(jié)構(gòu)的多樣化以及其優(yōu)良的儲(chǔ)能、吸附、負(fù)載、催化等性能，吸引了許多學(xué)者的關(guān)注和研究，近年來(lái)，碳材料由于其結(jié)構(gòu)的多樣化以及其優(yōu)良的儲(chǔ)能、吸附、負(fù)載和催化等性能，使得其已在環(huán)保、化工、航天、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而純碳材料仍然具有某些方面的缺陷。近些年來(lái)，含氮碳材料的研究日益增多。與純碳材料相比，含氮碳材料超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射器件方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。此外，含氮碳材料的表面具有活性位點(diǎn)，使含氮碳材料表現(xiàn)出良好的親水性，作為功能型材料，氮摻雜碳材料更顯示出強(qiáng)大的吸附優(yōu)勢(shì)，在催化劑負(fù)載、藥物傳遞方面有潛在應(yīng)用。

此前，我們?cè)?a title="鉆瓜專(zhuān)利網(wǎng)">專(zhuān)利“由有機(jī)材料催化熱解制備含氮芳香類(lèi)化合物的方法”(PCT/CN2013/080639)和“一種高選擇性制備吡咯的方法”(CNl03554001A)中報(bào)到了利用催化熱解的方法制備含氮芳香類(lèi)化合物。與此同時(shí)，催化熱解過(guò)程中會(huì)伴隨產(chǎn)生大量的含氮生物質(zhì)碳。本發(fā)明主要介紹通過(guò)熱解技術(shù)制備含氮碳材料的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案提供一種由生物質(zhì)熱解制備含氮碳材料的方法，所述方法包括以下步驟：

將催化劑與生物質(zhì)按照一定的比例混合均勻；

將催化劑與生物質(zhì)原料一起進(jìn)料至反應(yīng)器，在所述反應(yīng)器中，在含反應(yīng)性氮化合物氣體的存在下，在加熱條件下，使所述生物質(zhì)有機(jī)材料在含反應(yīng)性氮化合物氣體的條件下發(fā)生熱解碳化反應(yīng)，并保持一段時(shí)間；

收集熱解反應(yīng)后殘留的固體物，獲得含氮碳材料。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在收集熱解反應(yīng)后殘留的固體物之前，將催化劑與熱解過(guò)程中產(chǎn)生的固體分離。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，生物質(zhì)包括木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纖維二糖、纖維素、淀粉、半纖維素、殼聚糖、甲殼素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸桿、廢棄紙張、油菜籽餅、小桐子餅、餅粕、酒糟、廢棄蛋白、微藻、塑料廢料、再生塑料、農(nóng)業(yè)和城市固體廢物、食品廢物、動(dòng)物廢物、碳水化合物、木質(zhì)纖維材料以及它們的組合。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，含反應(yīng)性氮化合物氣體為含有氨氣、甲胺或乙胺等，或它們的任意組合的氣體。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述反應(yīng)器中的反應(yīng)溫度為200℃至1000℃，優(yōu)選250℃至900℃，更優(yōu)選300℃至850℃，最優(yōu)選300℃至800℃。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，含氮碳材料的產(chǎn)率大于5％，優(yōu)選大于10％，再優(yōu)選大于15％，再優(yōu)選大于20％，再優(yōu)選大于25％，再優(yōu)選大于30％，再優(yōu)選大于35％，再優(yōu)選大于40％，再優(yōu)選大于45％，再優(yōu)選大于50％，再優(yōu)選大于55％，再優(yōu)選大于60％，再優(yōu)選大于65％，再優(yōu)選大于70％，再優(yōu)選大于75％，。

在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，所述含氮碳材料中氮的含量的增加大于1％，優(yōu)選大于2％，優(yōu)選大于3％，優(yōu)選大于4％，優(yōu)選大于5％，優(yōu)選大于6％，優(yōu)選大于7％，優(yōu)選大于8％，優(yōu)選大于9％，優(yōu)選大于10％，優(yōu)選大于11％，優(yōu)選大于12％，優(yōu)選大于13％，優(yōu)選大于14％，優(yōu)選大于15％。