[發(fā)明專利]以廢棄煙頭為碳源制備的氮摻雜碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110774065.1
• 申請日: 2021-07-08
• 公開（公告）號: CN113398977B
• 公開（公告）日: 2023-10-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李星運;金新;趙修松;李翠清
• 申請（專利權(quán)）人: 青島大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;B01J35/10;B01J21/18;C07C17/08;C07C21/06
• 代理公司: 青島發(fā)思特專利商標(biāo)代理有限公司 37212
• 代理人: 張灑灑

本發(fā)明公開了一種以廢棄煙頭為碳源制備的氮摻雜碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用，屬于催化劑技術(shù)領(lǐng)域。其技術(shù)方案為：以重量計，氮摻雜碳催化劑包括以下成分：85?92％的三維多孔碳骨架、3?10％的摻雜于碳層中的氮原子以及4?8％的氧原子。本發(fā)明以廢棄煙頭為碳源，原位氮摻雜后增加其表面積和氮含量，制備了一種氮摻雜碳非金屬催化劑，與傳統(tǒng)的活性炭對比，顯示出了優(yōu)異的活性；廢棄煙頭隨處可得且其污染環(huán)境，對其處理后不僅減輕了對環(huán)境的破壞，還得到了綠色經(jīng)濟的高效催化劑。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及催化劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以廢棄煙頭為碳源制備的氮摻雜碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

聚氯乙烯(PVC)是世界五大合成塑料之一，且其生產(chǎn)中能大量消耗氯氣，促進了氯堿工業(yè)的發(fā)展。據(jù)報道其世界年生產(chǎn)量已經(jīng)達到了3800萬噸，而氯乙烯單體的合成是聚氯乙烯生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前世界上的氯乙烯合成技術(shù)有兩大類，即乙烯氧氯化法和乙炔氫氯化法。我國石油資源匱乏，煤炭儲量相對豐富，據(jù)報道，我國2007年乙炔法合成聚氯乙烯產(chǎn)量在國內(nèi)PVC行業(yè)中占總量的70％以上，而國內(nèi)生產(chǎn)的電石有近80％都用于生產(chǎn)PVC。因此，乙炔法仍有很大的發(fā)展前景。

目前,在乙炔氫氯化反應(yīng)中應(yīng)用最廣泛的是傳統(tǒng)HgCl₂/AC催化劑，早已實現(xiàn)工業(yè)化。雖然其活性與選擇性在反應(yīng)中都達到了非常理想的效果，但是在工業(yè)應(yīng)用中它仍然存在很多缺陷。首先，由于汞離子是物理吸附在活性炭孔道內(nèi)壁上的，所以其熱穩(wěn)定性很差，在80℃時就有少量氯化汞開始升華流失，120℃后升華速率加快，超過160℃后升華速率直線上升，致使催化活性下降，氯化汞的消耗量增加。其次，生產(chǎn)中氯化汞分解后產(chǎn)生的汞易升華，進入大氣污染環(huán)境，且易被人體吸入，危害人類健康?；诠奈：ΓS多科研工作者致力于尋找替代汞的催化劑，其中貴金屬催化劑金、鈀、釕等展現(xiàn)出了良好的催化活性。但金屬催化劑價格昂貴，在反應(yīng)中易失活導(dǎo)致催化劑使用壽命縮短。

基于上述催化劑存在的不足和水俁公約發(fā)行將禁汞這一工作提上日程，PVC行業(yè)的發(fā)展迫使研制出一種高活性、高穩(wěn)定性、高選擇性的綠色環(huán)保型非金屬催化劑，這也符合綠色化學(xué)的發(fā)展方向。

近年來，氮摻雜碳催化劑在乙炔氫氯化領(lǐng)域顯示出了非凡的熱度。許多研究表明，氮的含量的物種會顯著影響催化劑的催化性能。反應(yīng)過程分為五部，分別是乙炔的吸附，氯化氫吸附，氯化氫活化，產(chǎn)物氯乙烯的生成和從催化劑上脫附。由于乙炔比氯化氫的結(jié)合能更強，所以反應(yīng)從吸附乙炔開始。目前，關(guān)于氮摻雜碳催化劑中發(fā)揮主要作用的是哪一類氮物種，不同的課題組持有不同的看法。主要分為吡咯氮、吡啶氮和石墨氮，也有少部分人認為四季氮也是活性位點之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種以廢棄煙頭為碳源制備的氮摻雜碳催化劑及其制備方法和應(yīng)用，以廢棄煙頭為碳源，原位氮摻雜后增加其表面積和氮含量，制備了一種氮摻雜碳非金屬催化劑，與傳統(tǒng)的活性炭對比，顯示出了優(yōu)異的活性；廢棄煙頭隨處可得且其污染環(huán)境，對其處理后不僅減輕了對環(huán)境的破壞，還得到了綠色經(jīng)濟的高效催化劑。

第一方面，本發(fā)明提供了一種以廢棄煙頭為碳源制備的氮摻雜碳催化劑，以重量計包括以下成分：85-92％的三維多孔碳骨架、3-10％的摻雜于碳層中的氮原子以及4-8％的氧原子。

優(yōu)選地，三維多孔碳骨架中，多孔碳的平均孔徑為0.5-5nm，比表面積為300-1000m²/g，具有豐富的微孔和中孔結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述氮摻雜碳催化劑中含有微量金屬。

優(yōu)選地，所述微量金屬為Ti、Cd及As。

第二方面，本發(fā)明還提供了上述氮摻雜碳催化劑的制備方法，包括以下步驟：

1)收集廢棄煙頭，將其過濾嘴洗滌后烘干，于惰性氣氛中，對過濾嘴表面進行碳化，得到中間產(chǎn)物；