[發明專利]陰離子誘導碳納米片中選擇性生長超小銅模板法合成氮摻雜多孔碳、方法及應用

在審

• 申請號: 202011258172.0
• 申請日: 2020-11-12
• 公開（公告）號: CN112390246A
• 公開（公告）日: 2021-02-23
• 發明（設計）人: 楊正龍
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C01B32/15
• 分類號: C01B32/15;B01J20/20;B01J20/28;B01J20/30;C10L3/10
• 代理公司: 上?？剖⒅R產權代理有限公司 31225
• 代理人: 許耀

本發明涉及一種陰離子誘導碳納米片中選擇性生長超小銅模板法合成氮摻雜多孔碳、方法及應用，以聚4?乙烯吡啶和二水合氯化銅為原料，Cu²⁺和聚4?乙烯吡啶形成配位化合物，再經過碳化和酸洗，得到Cu?NDPC；通過陰離子Cl^?和碳化溫度調控碳化過程中產生的原位Cu納米團簇的大小，以原位Cu納米團簇為模板獲得的Cu?NDPC的孔徑為與現有技術相比，本發明的產品具有獨特的碳納米片網絡結構、超高的比表面積、超大的微孔體積、適宜的表面N摻雜和集中孔徑分布；表現出超高的C₂H₂、C₂H₆、C₃H₈和CO₂吸附容量和超高的x/CH₄和CO₂/N₂IAST選擇性；并具有良好的循環穩定性。

技術領域

本發明涉及氣體吸附分離材料技術領域，尤其是涉及一種陰離子誘導碳納米片中選擇性生長超小銅模板法合成氮摻雜多孔碳、方法及應用。

背景技術

環境和能源問題是本世紀影響人類可持續發展的最嚴峻挑戰。在這些問題中，CO₂排放引起的全球變暖是一個不可忽視的問題?；诖?，為使人類社會可持續發展必須努力減緩大氣中CO₂含量增加的趨勢，甚至降低大氣中的CO₂含量。此外，煤、石油及其衍生物的燃燒排放CO₂的同時釋放出大量的微塵，是造成霧霾和煙霧的主要原因。因此，尋找更清潔的替代能源已成為人類生存和發展的必然要求。主要由CH₄組成的天然氣是一種較好的選擇，CH₄具有最高的燃燒熱值是傳統燃油汽車的最佳替代能源之一。然而，天然氣中也含有其他雜質，如C₂H₆、C₃H₈和CO₂。另一方面，這些雜質也是十分重要的化學原料，將其分離和貯存起來具有重要現實意義。另外，C₂H₂是天然氣熱裂解過程中最重要的副產物之一，將其與CH₄提純分離同樣十分必要。物理吸附分離因具有節能環保、易于再生等優點受到人們的廣泛關注。而高效吸附劑的開發一直是氣體吸附分離工程的核心。氣體分子的表面極性和尺寸匹配效應直接決定了吸附劑的吸附分離性能。更準確地說，尺寸匹配效應反映在吸附劑中尺寸大于氣體分子的尺寸(表1)同時小于0.8nm的孔結構，對吸附劑吸附儲存氣體的貢獻最大。在眾多吸附劑中，多孔配位聚合物(PCPs)和金屬有機骨架(MOFs)由于其可設計的孔徑、形狀和功能化的孔道表面，對輕烴和CO₂/N₂具有優異的氣體分離性能。然而，昂貴、復雜的合成過程和熱不穩定性限制了它們的實際應用。多孔碳材料以優異的熱穩定性和低廉的價格被認為是最有前途的氣體分離吸附劑之一。然而，由于致孔策略的特點，在碳材料中形成合適的孔結構是一項非常具有挑戰性的任務。碳材料中通常采用活化法形成超微孔。然而，由于活化反應的隨機性，活化多孔碳通常具有離散的孔徑分布，導致其孔結構利用率較低，進而吸附容量和選擇性普遍低于MOFs和PCPs。此外，最常用的KOH活化劑具有很強的腐蝕性，以其為活化劑制備多孔碳僅能停留在實驗室階段，難以滿足大批量生產的需求。此外，基于其致孔機理，活化致孔法不可避免的以犧牲最終碳材料的收率為代價。對于模板法而言，獲得合適尺寸和大小均一的高純度模板是其在碳吸附劑合成中應用的最大障礙。

發明內容