[發明專利]一種利用廢棄煙頭制備氮摻雜活性炭的方法

在審

• 申請號: 201910295746.2
• 申請日: 2019-04-12
• 公開（公告）號: CN110015661A
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 車承芳
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/348;B82Y40/00
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 陸飛;陸尤

本發明屬于多孔碳材料制備技術領域，具體為一種利用廢棄煙頭制備氮摻雜活性炭的方法。本發明方法以廢棄煙頭為原料，經過碳化、堿浸、碳化、酸洗、烘干處理得到氮摻雜活性炭。制得的活性炭表面積范圍為1355~2455 m²/g，平均孔徑分布為1.9~2.2 nm，氮含量為0.2~0.7%，在氣體吸附和超級電容器等領域具有廣泛的應用前景。本發明制備方法簡單，利用廢棄煙頭代替木材制備活性炭，使用無毒無害的化合物為活化劑，對廢棄資源的再利用和環境保護具有重要現實意義。

技術領域

本發明屬于多孔碳材料制備技術領域，具體涉及利用廢棄煙頭制備氮摻雜活性炭的方法。

背景技術

因其大的比表面積和高的化學穩定性，活性炭在吸附，催化和能源等領域得到廣泛應用。目前，活性炭的制備主要使用原木材和煤炭等。這些原材料不僅價格較高，而且過度的開采對環境危害也較大。相比之下，生物質與生活或工業廢棄物等不僅價格低廉，而且具有很高的環保價值。因此，采用生物質或廢棄物作為活性炭原料的研究日益增多^[1-3]。

活性炭的吸附性能主要來自于其豐富微孔的物理吸附作用。同樣，被應用于超級電容器等能源類材料時，活性炭的儲能性能來自于微孔的雙電層電容作用。如果想要進一步提高活性炭的吸附和儲能性能，需要優化活性炭的化學組分。研究表明，氮摻雜一方面可以產生化學吸附作用提高吸附性能，另一方面也可以參與氧化還原反應提高儲能性能。因此，活性炭的氮摻雜越來越受到研究者的關注。

目前，制備氮摻雜活性炭的主要方法是將碳源、氮源和活化劑混合后煅燒，例如：

一種氮摻雜淀粉基活性炭微球材料的制備方法及其應用（專利號201610564590.X），它包括將淀粉與含氮化合物混合后糊化并水熱，然后將水熱焦炭與活性劑混合后高溫活化得到氮摻雜的活性炭微球。所制得的活性炭比表面積為1000~3300 m²/g，氮含量為0.2~16%，平均孔徑為2~4nm。該方法步驟復雜，對實驗人員和設備都具有較高得要求，原材料價格較高。此外，固體混合的原材料不均勻，對于活化劑和碳源的利用率較低。

一種氮摻雜活性炭催化劑及其應用（專利號201410854518.1），它包括將活性炭浸滯在含氮化合物的水解溶液，然后將浸滯后的活性炭在氮氣氣氛中高溫煅燒，得到氮摻雜的活性炭。該方法需要使用大量氮源，并且轉化率較低。

迄今為止，尚未有以廢棄煙頭為原料，以碳酸鹽為活化劑制備氮摻雜活性炭得空開技術。本方法還具有以下優點：（1）廢棄煙頭具有一定的氮含量，不需要使用額外氮源即可得到氮摻雜的活性炭，有效地節約了成本；（2）使用無毒無害的碳酸鹽與碳酸氫鹽作為活化劑，相較于傳統的氫氧化物跟為安全有效；（3）工藝簡單，活化溫度較低，節約了電能；（4）以廢棄煙頭為原材料制備活性炭，不僅拓寬了高性能氮摻雜活性炭的原料來源，而且實現了廢棄資源的回收再利用，具有積極的環保意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種廉價、方便的利用廢棄煙頭制備氮摻雜活性炭的方法。

本發明提供的利用廢棄煙頭制備氮摻雜活性炭的方法，以廢棄煙頭為原料，經過碳化、堿浸、碳化、酸洗、烘干處理得到氮摻雜活性炭；具體步驟為：

（1）收集的廢棄煙頭原料進行水洗、烘干處理，然后在氮氣氣氛中，330~370℃碳化1~2小時；

（2）將步驟（1）中的碳化料研磨，與堿性無機物水溶液按一定質量比混合，75-85℃下在鼓風干燥箱中烘干；優選80℃下烘干；其中：

所述堿性無機物為碳酸鈉，碳酸氫鈉，碳酸鉀和碳酸氫鉀的一種或多種；

所述碳化料與堿性無機物的質量比范圍為0.5~4.0；優選兩者質量比范圍為1~3.0；

（3）將經步驟（2）處理的材料放進管式爐中，在氮氣保護下，600~800℃碳化并活化1~2小時；