[發(fā)明專利]一種以硝酸鋅為活化劑制備氮摻雜多孔碳材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910766632.1
• 申請日: 2019-08-20
• 公開（公告）號: CN110451509B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 石勁松;崔紅敏;徐建國;晏南富;柳躍偉
• 申請（專利權(quán)）人: 江西省科學(xué)院應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類號: C01B32/348
• 分類號: C01B32/348
• 代理公司: 南昌豐擇知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 36137
• 代理人: 吳稱生

本發(fā)明提出一種以硝酸鋅為活化劑制備用于二氧化碳吸附的氮摻雜多孔碳材料的方法，以瓊脂為碳源材料，碳化后使用硝酸鋅進(jìn)行活化，同時利用硝酸鋅中所含的氮元素實現(xiàn)對碳材料的氮摻雜。本發(fā)明提出的制備方法簡化了氮摻雜多孔碳材料的制備步驟，在活化反應(yīng)的過程中完成對碳的氮摻雜；同時所制備的氮摻雜碳材料具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)，作為二氧化碳的吸附劑材料具有良好的吸附特性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于多孔碳材料的制備與應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種以硝酸鋅為活化劑的氮摻雜多孔碳材料的制備方法。

背景技術(shù)

大氣層中二氧化碳濃度的持續(xù)上升引起了越來越廣泛的關(guān)注。二氧化碳作為主要的溫室氣體，大氣層中濃度過高會引起氣溫升高與各種氣候變化。化石類能源的消耗是二氧化碳的主要排放源，但這種現(xiàn)狀在短期內(nèi)很難得到改變。在這種背景下，使用碳捕集與封存技術(shù)控制大氣中二氧化碳濃度的持續(xù)上升具有重要的意義。使用多孔材料對二氧化碳經(jīng)由物理吸附進(jìn)行捕集存儲具有重大的研究價值，其過程可逆性好、安全性高，且吸附劑易于再生(ChemSusChem 10(2017)1303-1317)。多孔碳材料具有發(fā)達(dá)的多孔結(jié)構(gòu)、良好的熱穩(wěn)定性與化學(xué)穩(wěn)定性，且成本低廉，為應(yīng)用最為廣泛的多孔材料之一。使用氮、硫、磷等元素對碳材料進(jìn)行摻雜，能進(jìn)一步豐富與提高碳材料的功能性，具有更高的應(yīng)用潛力與更廣闊的應(yīng)用前景(Energy Environ.Sci.6(2013)2839–2855)。氮摻雜碳材料應(yīng)用于二氧化碳吸附具有特殊的優(yōu)勢，主要是由于氮摻雜可以在碳材料中形成堿性吸附位，可以選擇性的吸附二氧化碳，增強(qiáng)吸附時與二氧化碳分子之間的相互作用(J.Mater.Chem.A 4(2016)17299-17307)。

氮摻雜多孔碳材料一般可以通過以下兩種方法制備：一是使用含氮有機(jī)物作為起始材料直接進(jìn)行碳化或者活化處理。例如耿保友等(專利申請?zhí)枺?01910395693.1)以硝酸鋅與2-甲基咪唑為反應(yīng)物通過液相反應(yīng)先制備沸石咪唑型金屬有機(jī)框架材料ZIF-8，再以ZIF-8為前驅(qū)體、利用原材料中2-甲基咪唑所含有的氮元素通過高溫處理制備氮摻雜碳材料。但是ZIF-8的制備過程復(fù)雜、耗時較多，且需經(jīng)過多步后處理，作為碳源的有機(jī)物種類也有著嚴(yán)格的限制。二是使用氨氣、尿素等含氮化合物與碳源同時碳化或者在碳化后進(jìn)行高溫后處理(J.Mater.Chem.A 1(2013)999-1013)。其中第二種制備方法具有更好的通用性，可適用于多種不同的有機(jī)物作為起始材料進(jìn)行制備。例如張亞非等(專利申請?zhí)枺?01610112736.7)將葡萄糖等與硝酸鋅先通過液相過程形成氧化鋅與薄碳層復(fù)合前驅(qū)體，再經(jīng)過碳化處理制備氮摻雜石墨烯材料。該方法利用的是硝酸鋅分解之后形成氧化鋅的模板作用而非活化作用，同時所使用的有機(jī)物種類主要限于不同糖類有機(jī)物。選擇合適的材料作為氮摻雜的氮源、簡化制備過程，仍然是制備氮摻雜碳材料需要重點(diǎn)考察的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出一種以硝酸鋅為活化劑制備氮摻雜碳材料的方法，簡化常規(guī)的后處理制備方法的制備過程。同時所制備的碳材料具有高比表面積特性，具有良好的二氧化碳吸附性能。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為；

一種以硝酸鋅為活化劑制備用于二氧化碳吸附的氮摻雜多孔碳材料的方法，包括以下步驟：

(1)取瓊脂粉末至于管式爐中，惰性氣氛保護(hù)下升溫至500℃并恒定2小時，碳化處理之后自然冷卻至室溫；

(2)取步驟(1)得到的碳化產(chǎn)物，與六水合硝酸鋅研磨后均勻混合；

(3)研磨后的混合物置于管式爐，惰性氣氛保護(hù)下升溫至800-950℃活化處理2小時，之后自然冷卻至室溫；

(4)活化后的產(chǎn)物先使用鹽酸進(jìn)行清洗，之后再用去離子水重復(fù)清洗；

(5)清洗后的材料干燥，得到最后的產(chǎn)物。

優(yōu)選地，步驟(2)中所述六水合硝酸鋅與步驟(1)所得碳化產(chǎn)物的質(zhì)量比為2.0-6.0。