[發明專利]一種生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳的制備方法及其應用

在審

• 申請號: 201710841180.X
• 申請日: 2017-09-18
• 公開（公告）號: CN107497397A
• 公開（公告）日: 2017-12-22
• 發明（設計）人: 黃雅欽;艾飛;劉乃強
• 申請（專利權）人: 北京化工大學
• 主分類號: B01J20/20
• 分類號: B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30
• 代理公司: 北京五月天專利商標代理有限公司11294
• 代理人: 吳寶泰

技術領域

本發明屬于吸附劑領域，具體涉及一種生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳的制備方法及其在鋰硫電池中應用。

背景技術

多孔碳材料由于具有獨特的空隙結構，優異的物理和化學穩定性，被廣泛的應用在催化、吸附、傳感及電化學等領域。

對多孔碳材料進行雜原子摻雜可以其表面元素的構成，對材料的的電子分布和晶格結構有顯著改善，影響多孔碳材料的親水性和材料表面的酸堿性，繼而對其電化學性能進行改善。氮原子和碳原子具有相近的原子半徑，從而可以較為容易的置換多孔碳材料中的碳原子。由于氮原子比碳原子含有更多的外層電子，而且其電子親和能較強，從而可以改變多孔碳材料的極性。與此同時，氮原子的孤對電子對可以與碳材料得大π鍵形成共軛，繼而改善其電化學和催化性能。硫原子與碳原子具有相似的電負性，同時硫原子相較與碳原子的半徑大。故將硫原子摻入多孔碳材料中會增加碳原子層間間距，使多孔碳的缺陷結構和應力增加，從而使得電荷發生區域化。再者，由于硫原子含有易極化的d層軌道，從而可以提高多孔碳材料的表面活性，增加其催化、吸附和電化學性能。因此，將氮原子和硫原子共同摻雜入多孔碳材料將顯著地提高多孔碳材料的化學和物理性能。

為了降低氧硫氮共摻雜多孔碳的制備成本，采用對環境無污染的生物材料是重要的發展方向。以金槍魚為例，根據聯合國糧農組織統計，金槍魚年捕獲量超6×106萬噸占公海漁業總產量的70%以上，是世界遠洋漁業的重要作業魚種之一。在金槍魚加工過程中會產生占總重量50% ～ 70%的下腳料，其中30%以上下腳料為皮或骨。然而，水生動物皮或骨并未得到有效利用，主要作為低值飼料、肥料出售，甚至隨意丟棄，既浪費了寶貴的資源，又污染環境。因此，水生動物皮或骨的高值化利用對于動物產業的發展和環境保護具有重要意義。動物廢料的主要構成為有機物膠原蛋白和無機物羥基磷灰石晶體。其中膠原蛋白的組成氨基酸中含有蛋氨酸，蛋氨酸中含有硫元素可作為硫原子的前驅體，而膠原蛋白可作為碳材料得碳元素和氮元素的前驅體。與此同時，無機成分羥基磷灰石，是以納米顆粒形式分散于礦化膠原蛋白中，故羥基磷灰石可作為模板調控碳材料的形貌。因此將水生動物皮或骨作為原料制備氧硫氮共摻雜多孔碳是降低氧硫氮共摻雜多孔碳的良好途徑，同時是對水生動物皮或骨合理利用的良好辦法。

發明內容

為了解決現有技術中存在的上述問題，本發明提供一種生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳的制備方法及其應用，該制備方法能夠調控多孔碳的孔結構和實現氧硫氮共摻雜，工藝科學合理、易于操作，從而降低氧、硫、氮共摻雜材料的生產成本。

在動物加工過程中，水生動物皮或骨并未得到有效利用，主要作為低值飼料、肥料出售，甚至隨意丟棄，既浪費了寶貴的資源，又污染環境。動物的廢料主要構成為有機物膠原蛋白和無機物羥基磷灰石晶體。其中膠原蛋白的組成氨基酸中有較高含量的蛋氨酸，蛋氨酸中含有硫元素可作為硫的前驅體，而膠原蛋白可作為碳材料得碳元素和氮元素的前驅體。與此同時，無機成分羥基磷灰石，是以納米顆粒形式分散于礦化膠原蛋白中，故羥基磷灰石可作為模板調控碳材料的形貌。因此，本發明提供一種生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳及其制備方法，將水生動物皮或骨作為氧、硫、氮共摻雜多孔碳的原材料，通過活化之后得到的生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳的比表面積為1144.63~1517.03 m² g^-1，摻氮量可達到5.9%，摻硫量可達到2%，物理和化學性能都得到顯著提高。

進一步的，本發明采用動物皮和骨作為前驅體，以氫氧化鉀為活化劑，通過預碳化、碳化、洗碳和烘干的步驟。

進一步的，所述的生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳的制備方法包括以下步驟：

（1）低溫預碳化處理：將水生動物皮或骨洗凈，烘干，并進行低溫預碳化；

（2）高溫活化處理：將預碳化后的水生動物皮或骨與活化劑均勻混合，并進行高溫活化碳化，得到生物基碳化粉末；

（3）脫模板步驟：將生物基碳化粉末置于酸溶液中反復浸泡后，用去離子水反復過濾清洗，經過干燥得到生物基氧、硫、氮共摻雜多孔碳。

進一步的，步驟（1）中將水生動物皮或骨充分洗滌瀝干后，升溫至30-100℃干燥5-24h，隨后將干燥后水生動物皮或骨粉碎至粉末，置于馬弗爐中，在惰性氣體保護下，加熱至200-400℃進行預碳化，碳化時間為1-6小時，優選2-5小時。