[發明專利]一種生物質制備高比表面積硼摻雜多孔碳材料的方法

有效

• 申請號: 202010926183.5
• 申請日: 2020-09-07
• 公開（公告）號: CN111994907B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 馬培勇;周祥;張穎;劉小好;王子琦;祁風雷;邢獻軍
• 申請（專利權）人: 合肥工業大學
• 主分類號: C01B32/324
• 分類號: C01B32/324;C01B32/342;C01B32/348
• 代理公司: 合肥中谷知識產權代理事務所(普通合伙) 34146
• 代理人: 洪玲

本發明涉及一種生物質制備高比表面積硼摻雜多孔碳材料的方法，包括以下步驟，先將生物質粉碎為微小顆粒，然后將粉碎后的生物質顆粒與含硼酸性水溶液按一定比例混合均勻形成混合物，并將混合物放入水熱反應釜中進行水熱反應；將水熱反應后得到的水熱碳進行脫水、干燥；將干燥后的水熱碳放入熱解爐中，在惰性氣氛保護下進行快速熱解，并得到快速熱解后的生物質源高比表面積硼摻雜多孔碳材料；本發明使用的原料來源廣泛，工藝簡單，綠色，對設備要求較低，生產過程耗時短，效率高，適合工業上的大規模生產。

技術領域

本發明屬于硼摻雜碳材料制備領域，尤其是生物質制備高比表面積硼摻雜多孔碳材料領域。

背景技術

生物質在自然界中分布廣泛且儲量巨大，是唯一一種可以替代石油衍生燃料和化學品的碳中性能源。中國每年生產大約億噸級的廢棄生物質(農作物秸稈、木屑、雜草、微藻、動物廢物等)，這些廢棄生物質蘊藏的能源相當于億噸級的標準煤，是一個巨大的資源寶庫。生物質可通過水熱或熱解等技術轉化為含有大量芳環結構的固體物質，即生物炭，其在環境與化工領域具有非常廣闊的應用前景；近年來，對于碳材料的應用日益增多，但是純碳材料在結構和性能上仍然不盡人意。因此，對碳材料進行雜原子摻雜所得的雜原子改性碳由于具有獨特的物理和化學性質，越來越受到人們的關注。生物炭摻雜雜原子可以大大提高其反應活性，是催化、吸附和儲能領域的優秀材料，目前常見的摻雜雜原子有B、N、P、S等；硼原子相比于碳原子，只少一個電子，在微觀尺度上很接近，硼摻雜碳骨架結構后，改變了碳材料的電子結構，同時碳材料的石墨晶格畸變比較小，可以有效提高碳材料的石墨化程度和抗氧化能力。但是，目前報道的硼摻雜碳材料的制備方法，存在工藝復雜，硼原子摻入較為困難，獲得的碳材料比表面積低而且孔隙結構以微孔為主，不利于吸附和傳質等缺點；

例如CN201910994262.7介紹了一種利用硼摻雜介孔碳去除水體中重金屬的方法，該方法利用模板法制備高比表面積硼摻雜介孔碳：將硼酸、蔗糖、濃硫酸與水按比例混合為多元溶液A，將其滲透到介孔硅模板中，固化，得到復合物A；再將硼酸、蔗糖、濃硫酸與水按比例混合為多元溶液B，將復合物A浸漬到多元溶液B中，固化，得到復合物B；最后將復合物B進行熱處理，去除模板，得到硼摻雜介孔碳；該方法制備的碳材料含有硼官能基團，但是，上述方法所用模板法，步驟繁多，工藝復雜，耗時極長，能耗較大，而且所用碳源為蔗糖，成本較高，不利于工業上大規模生產；再例如CN201911344836.2公開了一種利用木質素制備硼摻雜碳納米球的方法及產品：將木質素和硼系添加劑按照預設的質量比溶解于水中，以制備獲得混合溶液；對所述混合溶液執行超聲處理；對所述木質素溶液執行干燥及研磨處理，獲得木質素粉末；對所述木質素粉末執行熱解處理，冷卻后制備獲得所述硼摻雜碳納米球；雖然該方法工藝簡單，但是碳源為木質素，對木質素粉末的要求較高，不利于推廣，且制備的硼摻雜碳材料存在比表面積小，硼原子摻入效率低等問題。

發明內容

為了解決上述問題，本發明通過以下技術方案來實現上述目的：

一種生物質制備高比表面積硼摻雜多孔碳材料的方法，包括以下步驟：

步驟一、將生物質粉碎為細小顆粒；

步驟二、將粉碎后的生物質顆粒與含硼酸性水溶液按一定比例混合均勻形成混合物，并將混合物放入水熱反應釜中進行水熱反應，生成水熱碳；

步驟三、將水熱反應后得到的水熱碳進行脫水、干燥；

步驟四、將干燥后的水熱碳放入熱解爐中，在惰性氣氛保護下進行快速熱解，并得到快速熱解后的固體產物，該固體產物為生物質源高比表面積硼摻雜多孔碳材料。

作為本發明的進一步優化方案，所述生物質為木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纖維二糖、纖維素、淀粉、半纖維素、殼聚糖、甲殼素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸桿、油菜籽餅、小桐子餅、餅粕、酒糟、廢棄蛋白、微藻、塑料廢料、再生塑料、農業和城市有機固體廢物、食品廢物、動物廢物、碳水化合物、木質纖維材料中的任一種或兩種以上的組合。