[發(fā)明專利]一種利用二氧化碳制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710450457.6
• 申請日: 2017-06-15
• 公開（公告）號: CN107416819B
• 公開（公告）日: 2019-11-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳鵬萬;徐春曉;高鑫;杜立勇
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學
• 主分類號: C01B32/205
• 分類號: C01B32/205;C01B32/184;H01M4/96
• 代理公司: 11120 北京理工大學專利中心
• 代理人: 楊志兵;仇蕾安<國際申請>=<國際公布>

本發(fā)明涉及一種利用二氧化碳制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法，屬于多孔碳納米材料技術(shù)領(lǐng)域。所述方先將二氧化碳與易燃堿性溶液發(fā)生化學吸附反應(yīng)，再加入鎂粉進行絡(luò)合反應(yīng)，得到燃燒前體；點燃燃燒前體，發(fā)生自蔓延燃燒反應(yīng)，再將反應(yīng)產(chǎn)物進行酸洗，得到氮摻雜多孔碳納米材料。本發(fā)明所述方法成本低廉、節(jié)約能源、工藝過程以及產(chǎn)物性質(zhì)可控，且在極短的時間內(nèi)即可完成反應(yīng)；所制備的產(chǎn)物擁有良好的多孔結(jié)構(gòu)、比表面積以及電化學性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種利用二氧化碳制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法，屬于多孔碳納米材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二氧化碳是地球上最主要的溫室氣體，減少二氧化碳的排放是當今各國政府及科學界的重大戰(zhàn)略課題。而同時二氧化碳也是分布最廣、儲量最豐富的碳資源，這就意味著人類在盡可能減少二氧化碳排放的同時，可以將其作為碳源轉(zhuǎn)化成能源、材料和化工產(chǎn)品。由此可見，無論從資源利用還是從環(huán)境保護的角度考慮，有關(guān)二氧化碳固定和化學轉(zhuǎn)化的研究與開發(fā)都具有重要意義。每年因人類活動而排放的二氧化碳大約為250億噸，而每年在工業(yè)上能被利用并轉(zhuǎn)化成化學品的二氧化碳卻只有1.1億噸，因此二氧化碳的綜合利用引起了廣泛的關(guān)注。但是，由于二氧化碳是碳的最高氧化態(tài)，本身具有熱力學穩(wěn)定性和動力學惰性，二氧化碳參與的反應(yīng)通常在高溫高壓的條件下進行，反應(yīng)過程能耗高，對反應(yīng)設(shè)備要求高，并且操作過程中存在一定的危險性，這也是阻礙以二氧化碳為原料制備化學品實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。

多孔碳納米材料包含由石墨或者石墨烯片交錯堆積而成的三維連通多孔結(jié)構(gòu)，如泡沫碳，三維石墨烯；也包含多孔石墨二維片狀結(jié)構(gòu)，如多孔石墨烯納米片。多孔結(jié)構(gòu)的形成一方面可以有效避免石墨片狀結(jié)構(gòu)的過度堆疊，另一方面也可保持石墨烯單層(或少數(shù)層)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的性能，如極大的比表面積、良好的導電性能以及極高的吸附性能等。如今，各種各樣的多孔碳納米材料已經(jīng)廣泛用于超級電容、生物傳感、導電復合材料、催化、水處理等領(lǐng)域，成為最具有應(yīng)用潛力的納米材料之一。為此，我們發(fā)明了一種成本低廉，能源節(jié)約，工藝過程易控制，并且在極短的時間內(nèi)即可完成的二氧化碳轉(zhuǎn)化方法，可將排放的二氧化碳氣體一步轉(zhuǎn)化為實用的多孔碳納米功能材料。

發(fā)明內(nèi)容

針對利用現(xiàn)有技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)換成化學品存在反應(yīng)條件苛刻的問題，本發(fā)明提供了一種利用二氧化碳制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法，所述方法將二氧化碳吸附于易燃堿性溶液，再加入鎂粉引發(fā)自蔓延溶液燃燒反應(yīng)，得到氮摻雜多孔碳納米材料，該方法成本低廉、節(jié)約能源、工藝過程以及產(chǎn)物性質(zhì)可控、且在極短的時間內(nèi)即可完成反應(yīng)。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。

一種利用二氧化碳制備氮摻雜多孔碳納米材料的方法，所述方法步驟如下：

將過量二氧化碳溶于易燃堿性溶液中進行化學吸附反應(yīng)，吸附平衡(即持續(xù)通入二氧化碳時，吸附二氧化碳后的易燃堿性溶液的質(zhì)量不再發(fā)生改變)后，再加入鎂粉進行絡(luò)合反應(yīng)，得到燃燒前體；點燃燃燒前體，發(fā)生自蔓延燃燒反應(yīng)，高溫裂解得到固體產(chǎn)物；采用無氧化性的酸水溶液對固體產(chǎn)物進行酸洗，得到氮摻雜多孔碳納米材料。

所述二氧化碳為氣態(tài)二氧化碳或固態(tài)二氧化碳(干冰)。

所述易燃堿性溶液是對二氧化碳有化學吸附作用的易燃堿性溶液，優(yōu)選肼類易燃堿性溶液或胺類易燃堿性溶液，更優(yōu)選水合肼、乙醇胺或乙二胺。所述易燃堿性溶液中溶質(zhì)濃度會影響燃燒過程及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中優(yōu)選溶質(zhì)的質(zhì)量分數(shù)為60％～100％。

所述鎂粉為反應(yīng)絡(luò)合劑及助燃燒劑，鎂粉添加量能夠保證燃燒反應(yīng)完成即可，本發(fā)明考慮到產(chǎn)物形貌與電化學性能，優(yōu)選鎂粉的質(zhì)量與吸附二氧化碳后的易燃堿性溶液的質(zhì)量比為1:10～1:1。

所述無氧化性的酸水溶液優(yōu)選1mol/L～5mol/L的鹽酸水溶液。

有益效果：