[發明專利]一種木質纖維素類生物質聯產酸和富氮炭基氧還原催化劑的方法

在審

• 申請號: 202010864203.0
• 申請日: 2020-08-25
• 公開（公告）號: CN114107405A
• 公開（公告）日: 2022-03-01
• 發明（設計）人: 楊改秀;李連華;孫永明;甄峰;李穎;邢濤;袁振宏;王忠銘
• 申請（專利權）人: 中國科學院廣州能源研究所
• 主分類號: C12P7/40
• 分類號: C12P7/40;C01B32/05
• 代理公司: 廣州科粵專利商標代理有限公司 44001
• 代理人: 陳潔娣;莫瑤江

本發明公開了一種木質纖維素類生物質聯產酸和富氮炭基氧還原催化劑的方法。具體涉及木質纖維素類生物質產酸和產炭兩個過程。首先，原料采用水熱預處理方式，之后將預處理后原料和接種物混合，定向調控產酸體系pH至10?11后進行產酸。產酸過程的固相產物用于定向產炭，由于微生物的作用，打開生物質的內部結構，同時引入富氮原料微生物菌體，通過在惰性氣氛下高溫熱解，將氮引入到碳骨架中，形成豐富的含氮官能團，實現木質纖維素類生物質的富氮熱解和轉化，最終形成具有豐富含氮官能團的功能型高含氮多孔炭材料，其在電催化領域具有廣泛的應用前景，從而實現了木質纖維素類生物質的高值化轉化和資源化利用。

技術領域

本發明屬于生物質利用技術領域，具體涉及一種木質纖維素類生物質聯產酸和富氮炭基氧還原催化劑的方法。

背景技術

木質纖維素類生物質是地球上最豐富的生物質資源，包括木材(如桉木、櫸木、楊木等)和農林廢棄物(如玉米桿、小麥稈、高粱桿等)，具有來源廣泛、普遍性和易取性等特點。木質纖維素類生物質主要由纖維素、半纖維和木質素等組成，它們之間以共價鍵或非共價鍵強烈嚙合，使植物具有穩定的三維孔道結構。這種獨特的孔隙結構，為構建復雜多級孔結構炭材料提供了便利，但同時這種強交聯作用使得產物的形貌和結構難以被精準調控。

異質原子的摻雜(N、P、S、B、F等)是提升炭材料氧還原性能的重要策略，特別是含氮官能團的引入在提升炭材料電化學品質方面，作用顯著。氮原子大小與碳原子相似，因此可以很容易地取代碳納米材料中的碳原子。另一方面，與C原子相比，N摻雜原子具有更高的電子親合力，這使得N摻雜原子很容易改變碳材料中的原子結構和電子排列，進而導致碳納米材料中電荷的離域化、自旋密度的變化以及更接近費米能級的態密度增加。這些優化進一步使碳材料具有n型導電性，增加了金屬性能，提高了電子轉移率，為反應物提供了更多的活性位點。氮原子豐富的結合形式使碳基材料展示出不同的特性。

現有的關于生物炭電極材料制備的專利更加關注于對于富氮生物質的高效轉化，如(CN104241662A)，主要是富氮生物質的熱解過程調控。目前未見通過生物過程調控制備高含氮多孔炭材料的相關報道。因而，開發一種簡單、廉價、高效生物質基氮摻雜層級結構多孔炭材料，具有重要意義。

發明內容

本發明的第一個目的在于提供一種木質纖維素類生物質聯產酸和富氮炭基氧還原催化劑的方法。

本發明通過生物過程調控，實現對一般木質纖維素類生物質的富氮熱解和結構調控。通過表面改性和結構調整，在多孔炭材料中形成異質摻雜、缺陷位點、調整納米尺度的孔隙、孔洞和溝道可顯著提高催化劑的活性、選擇性和穩定性，改善電池的比能密度。

為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案：

一種木質纖維素類生物質聯產酸和富氮炭基氧還原催化劑的方法，包括以下步驟：

S1：將木質纖維素類生物質在水熱反應釜中進行預處理；

S2：將步驟S1中預處理后的物料轉移至產酸反應器中，加入接種物，調節pH，運行一段時間后進行固液分離，收集的液體部分富含揮發性有機酸；

S3：將步驟S2中收集的固體部分干燥后在惰性氣氛下，進行富氮熱解反應，得到氮摻雜生物炭；

S4：將步驟S3中得到的生物炭進行酸洗，然后用過量的去離子水沖洗至濾液呈中性，干燥后得到具有豐富含氮官能團的功能型高含氮多孔炭材料，即為富氮炭基氧還原催化劑。

進一步的，所述步驟S1中的預處理的條件為：溶劑為水、溫度為160～200℃、時間為2～6h、固液比為1:15-20。

進一步的，所述步驟S2中的產酸反應器采用序批式進料方式，物料停留時間為4～6d；產酸反應器的運行pH值調節至10～11，運行溫度為35～55℃，運行時間為4～10d。

進一步的，所述步驟S2中的固液分離是采用高速離心機分離。