[發明專利]一種含氮多孔碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211164428.0
• 申請日: 2022-09-23
• 公開（公告）號: CN115448310A
• 公開（公告）日: 2022-12-09
• 發明（設計）人: 陳崇明;郁金星;車凱;韓忠閣;陳秋;牛向楠;侯海萍
• 申請（專利權）人: 國網河北能源技術服務有限公司;國網河北省電力有限公司電力科學研究院;國家電網有限公司
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/36;B01J20/20;B01J20/34
• 代理公司: 石家莊國為知識產權事務所 13120
• 代理人: 李坤

本發明提供一種含氮多孔碳材料的制備方法，具體包括如下制備步驟：將含氮化合物和交聯劑溶于冰乙酸中，在催化劑作用下，發生交聯反應得到含氮超交聯聚合物；將含氮超交聯聚合物加入濃鹽酸、濃硫酸和濃硝酸混合溶液中，在?5℃～0℃進行初級反應，于20℃～80℃進行二次反應，洗滌、過濾、干燥得到含氮超交聯聚合物；然后將含氮超交聯聚合物和堿金屬溶液在24℃～26℃下反應，洗滌、過濾、干燥后在惰性氣體保護下升溫焙燒，得含氮多孔碳材料。本發明提供的含氮多孔碳材料的制備方法工藝簡單，原料價廉易得，制備得到的含氮多孔碳材料具有較好的二氧化碳吸附性能。

技術領域

本發明涉及多孔碳材料技術領域，尤其涉及一種含氮多孔碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

碳材料具有高物理化學穩定性、低制備成本、良好再生性能、易修飾的孔道結構、較好的吸附動力學和高二氧化碳吸附能力等優勢。目前，碳材料的制備方法多種多樣，最為常見的是高溫熱解的制備方法。熱解法制備碳材料的前驅體來源廣泛，有生物質、化石燃料、聚合物和金屬有機框架材料等，其中，生物質和化石燃料雜質多且孔道不易調控，金屬有機框架材料成本高，聚合物因具有孔道可調和成本低等相對優勢而成為不錯的選擇。

超交聯聚合物是通過超交聯反應產生的具有高度交聯剛性結構的有機多孔聚合物材料，因其比表面積大、微孔豐富、熱穩定性和化學穩定性高等優勢在氣體儲存、清潔能源和環境問題等領域受到越來越多的關注，但目前用于二氧化碳吸附的碳材料性能仍然較低，氮摻雜的碳材料和純碳材料相比具有更優異的二氧化碳吸附能力。當將氮原子引入碳基體時，由于電荷離域及電子結構的改變，這些氮原子摻雜的碳材料表現出了更好優異的物理化學活性。此外，由于碳原子和雜原子在原子半徑、鍵長和配位能力上的差異，雜原子摻雜到碳基體中也會導致材料中產生新的缺陷，進而在局部產生具有豐富電荷的缺陷位點，這對增加碳材料的催化活性位點也是十分有效的。然而現有技術中均是通過在碳材料中引入氮的方式獲得氮摻雜的碳材料，但是合成方法復雜，且制備的含氮碳材料的往往氮摻雜不均勻，不利于材料性能的發揮。因此，開發出一種二氧化碳吸附能力強的含氮多孔碳材料具有重要意義。

發明內容

針對現有多孔碳材料二氧化碳吸附碳的吸附能力弱等問題，本發明提供一種含氮多孔碳材料的制備方法。

為解決上述技術問題，本發明提供的技術方案是：

一種含氮多孔碳材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟a、將含氮化合物和醛類交聯劑溶于冰乙酸中，在催化劑作用下發生交聯反應，得含氮超交聯聚合物；所述含氮化合物為咪唑、噻唑、咔唑、惡唑、吡唑、吡啶、嘧啶、噠嗪、哌嗪或四苯基卟啉中至少一種；所述醛類交聯劑為對苯二甲醛或間苯二甲醛中至少一種；步驟b、將所述含氮超交聯聚合物加入濃鹽酸、濃硫酸和濃硝酸混合溶液中，于-5℃～0℃進行初級反應后于20℃～80℃進行二次反應，洗滌，過濾，干燥，得氧化含氮超交聯聚合物；步驟c、將所述氧化含氮超交聯聚合物中加入堿金屬溶液中，24℃～26℃下反應，洗滌、過濾、干燥，得堿金屬改性氧化超交聯聚合物；步驟d、惰性氣氛下，將所述堿金屬改性氧化超交聯聚合物于600℃～900℃焙燒2h～8h，得含氮多孔碳材料。