CN107126922A - 一种高效吸附co2的多孔活性碳材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料及其制备方法，包括：1）将生物质作为碳源和活化剂均匀混合后进行研磨，得原料粉体；2）将1）所得原料粉体在一定的气氛中在500℃～1000℃下煅烧30分钟～10小时，随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干，得到所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料。本发明选用生物质作为碳源，成本低廉，环境友好。碳源和活化剂共混一步碳化活化成多孔活性炭，过程简单，操作简便。常温下CO2吸附容量显著提高，CO2/N2选择性吸附性能优异。

Description

一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料及其合成方法，属于环境材料技术领域。
背景技术
随着现代化工业的发展，许多环境问题日益凸显，亟待解决。其中，大量煤炭、石油和天然气燃烧放出的温室气体引发的温室效应引起各国的广泛注意和重视。二氧化碳(CO2)作为大气中主要的温室气体之一，大量研究工作致力于捕集和吸收CO2以减缓和改善温室效应。此外，许多研究工作成功将CO2转化成CO或者CH4等清洁能源进行二次利用，从而实现了碳循环。因此，CO2吸附作为碳循环的第一步格外重要。
目前多孔碳材料拥有化学稳定、合成简单、成本低、重复利用率高等优点，使其较其他材料更具有市场潜力和实用价值。多孔碳材料合成原料非常广泛包括生物质、尿素、离子液体等。生物质作为一种自然环境中大量存在的材料，将其碳化成多孔碳进行CO2吸附是对生物质一种很好的资源利用。现已有相关报道将生物质碳化活化所得到的多孔活性碳材料CO2吸附能力高于其他碳源合成的活性碳材料。目前已有报道的作为合成多孔活性碳材料的生物质有葡萄糖、壳聚糖、树叶、豆壳等，但是上述碳源在不加氮源的条件下所合成的多孔活性碳材料含氮量低，其CO2吸附容量不高，且CO2/N2吸附选择不高。
但是如何通过简单方法就合成出具有高CO2吸附性能的含氮多孔碳材料仍然是一个具有挑战性的问题。我们通过选择合适的生物质作为碳源合成多孔活性碳材料，所合成材料具有高吸附CO2容量，而且具有优异的吸附循环性和CO2/N2选择吸附性。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是为了提供一种过程简单、操作简便的具有超高的CO2吸附性能的含氮多孔碳材料。
为了达到这个目的，本发明的一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料的具体技术方案：以生物质、活化剂为原料，将生物质作为碳源和活化剂按照一定比例进行研磨和混合均匀，并在一定气氛、以一定的升温速率升温至一定温度并保温一定时间碳化活化烧成多孔活性碳材料。
本发明提供了一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料，所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料具有大孔微孔多级孔结构。
较佳地，所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料具有一定的氮含量，含氮质量为0.76％ -10.73％。
本发明提供了一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料的制备方法，包括：
1)将生物质作为碳源和活化剂混合后进行研磨，得原料粉体；
2)将1)所得原料粉体在一定的气氛中在500℃～1000℃下煅烧30分钟～10小时，随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干，得到所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料。
较佳地，所述碳源和活化剂的比例为1：(1～50)，优选1：(1～5)。
较佳地，所述生物质为酪蛋白、蔗糖、尿素、壳聚糖、葡萄糖中的至少一种。
较佳地，所述活化剂为KOH、K2CO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、NaHCO3中的至少一种。
较佳地，所述气氛为N2、H2、He、Ar中的至少一种。
较佳地，所述煅烧温度为600℃～700℃。
本发明通过选择合适的生物质作为碳源合成多孔活性碳材料，所合成材料具有高吸附CO2容量，而且具有优异的吸附循环性和CO2/N2选择吸附性。
本发明选用生物质作为碳源，成本低廉，环境友好。碳源和活化剂共混一步碳化活化成多孔活性碳，过程简单，操作简便。常温下CO2吸附容量显著提高，CO2/N2选择性吸附性能优异。
附图说明
图1为实施例1中制备的多孔活性碳材料的TEM图；
图2为实施例1中制备的多孔活性碳材料的SEM以及元素分布图；
图3为实施例1中制备的多孔活性碳材料的CO2吸附性能图；
图4为实施例2中制备的多孔活性碳材料的CO2吸附性能图；
图5为实施例3中制备的多孔活性碳材料的CO2吸附性能图；
图6为实施例3中制备的多孔活性碳材料的TEM图。
具体实施方式
本发明提供了一种多孔活性碳材料及其制备，采用生物质碳化活化成多孔活性碳材料。所合成材料具有高吸附CO2容量，而且具有优异的吸附循环性和CO2/N2选择吸附性。所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料具有大孔微孔多级孔结构、本发明所述的高效吸附CO2的多孔活性碳材料还具有一定的氮含量，且含氮质量百分数为在0.76％和10.73％之间，这样可以实现多孔活性碳材料表面的碱性吸附位点，从而提高材料的CO2的吸附性能。
以下示例性地说明本发明高效吸附CO2的多孔活性碳材料的制备方案。
将生物质作为碳源和活化剂混合后进行研磨，得原料粉体。生物质作为一种自然环境中大量存在的材料，将其碳化成多孔碳进行CO2吸附是对生物质一种很好的资源利用。将生物质为碳源，与活化剂共混一步碳化/活化合成。只要符合分子具有一定碳链(此外含氮元素优选)的生物质均可用于作为本发明的碳源，例如酪蛋白、蔗糖、尿素、壳聚糖、葡萄糖等，可以是项中的一种或几种。其中碳源和活化剂的比例可以介于1：1到1：50之间。活化剂只要符合碱性盐类的都可以使用，例如可以是KOH、K2CO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、NaHCO3等。如果添加了活化剂，则可以与多孔活性碳材料表面发生反应，进行造孔，极大地增加多孔活性碳的比表面积以及活化表面吸附位点，从而提高材料的CO2的吸附性能。
将所得原料粉体在一定的气氛中一定温度下煅烧一定时间，随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干得到所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料。煅烧为在500℃～1000℃温度下煅烧30分钟～10小时。煅烧是为了将原料进行碳化活化处理，如果低于500度会导致材料的比表面偏低，影响其CO2的吸附性能，太高、如高于1000度则所合成的材料会发生石墨化且氮含量急剧下降，并不具有高CO2的吸附性能。更适宜的煅烧温度为600℃～700℃，这样可以获得高比表面积高含氮量的多孔活性碳材料。煅烧气氛应当是惰性气氛，作为示例、将N2、H2、He、Ar中的至少一种通入煅烧炉内则可形成所述惰性气氛。去离子水清洗主要是除去活化剂以及材料表面和孔道内部的杂质。
作为一个示例更具体的说明高效吸附CO2的多孔活性碳材料的制备方法。称取生物质作为碳源，加入活性剂后在空气中手动匀速研磨10-30分钟至所述原料粉末在达到混合均匀无明显颗粒感后放入坩埚内。放入管式炉N2气氛下以0.1℃～10℃/分钟的升温速率升温至600℃并保温30分钟。随炉冷却后取出样品用去离子水清洗至清洗液PH＝7并烘干，得到所述多孔活性碳。所述生物质可为但不仅限于酪蛋白、蔗糖、尿素、壳聚糖、葡萄糖、中的至少一种。所述活化剂可为但不仅限于KOH、K2CO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、NaHCO3中的至少一种。所述生物质和活化剂的比例为1：(1～50)，优选1：(1～5)。所述气氛可为但不仅限于N2、H2、He、Ar中的至少一种。
下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。
对比例：Microporous and Mesoporous Materials 180(2013)280–283
以可可果壳为碳源，在800摄氏度N2气氛下预先碳化，再将气氛从N2转换成CO2进行活化，在活化3.5小时之后再转换成N2保温1个小时。通过使用Micromeritics ASAP 2020型吸附仪上分别在0摄氏度和25摄氏度对上述制备方法所制备出的多孔活性碳材料进行测试，得出在0摄氏度和25摄氏度下具有最高CO2吸附容量，分别达到5.6mmol/g和3.9mmol/g，且并没有讨论其吸附选择性能力大小。
实施例一
称取1g酪蛋白和3g K2CO3研磨15分钟并混合均匀后放入坩埚内，并放入管式炉N2气氛下5摄氏度每分钟升温至600摄氏度并保温60分钟。随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干。通过使用VARIO ELⅢ元素分析仪利用燃烧法测得本实施例所制备的产品其氮含量为6.36wt％。所制备的多孔活性碳材料TEM、SEM以及元素分布图、CO2/N2吸附性能图分别如附图1、2、3所示。从图1中我们可知材料存在大量微孔。从图2中我们可知氮元素在材料中分布均匀，且材料含有500纳米左右的大孔，说明所制备的材料具有大孔微孔多级孔结构。所制备材料的CO2吸附容量在Micromeritics ASAP 2020型吸附仪上分别在0摄氏度和25摄氏度进行测试。此外样品的CO2/N2选择吸附性是将压力1bar时样品分别对纯CO2和N2的吸附量(压力0-1bar时的最大吸附量)相比所得出。从图3中我们可知所合成材料在0摄氏度和25摄氏度下具有高CO2吸附容量，分别达到7.24mmol/g和5.78mmol/g较已报道的文献容量高约0.5-2mmol/g，且CO2/N2选择吸附能力极高在0摄氏度和25摄氏度下分别达67和144。
实施例二
称取1g酪蛋白和1g K2CO3研磨10分钟并混合均匀后放入坩埚内，并放入管式炉N2气氛下5摄氏度每分钟升温至650摄氏度并保温60分钟。随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干。依据实施例一所述方法测得本实施例所制备的产品其氮含量为3.84wt％。所制备的多孔活性碳材料的CO2吸附性能图如附图4所示。从图4中我们可知所合成材料在0摄氏度和25摄氏度下具有高CO2吸附容量，分别达到5.74mmol/g和4.14mmol/g较已报道的文献容量高约0.5-1.0mmol/g，且CO2/N2选择吸附能力较高。
实施例三
称取1g酪蛋白和4g K2CO3研磨20分钟并混合均匀后放入坩埚内，并放入管式炉N2气氛下10摄氏度每分钟升温至700摄氏度并保温60分钟。随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干。依据实施例一所述方法测得本实施例所制备的产品其氮含量为1.51wt％。所制备的 多孔活性碳材料TEM照片如附图6所示。从图6中我们可知材料具有高比表面积，以及500纳米左右的大孔。从图5中我们可知所合成材料在0摄氏度和25摄氏度下具有高CO2吸附容量，分别达到7.23mmol/g和3.59mmol/g较已报道的文献容量高约0.5-1.5mmol/g，且在0摄氏度和25摄氏度下CO2/N2选择吸附性能极佳。

Claims (8)

1.一种高效吸附CO2的多孔活性碳材料的制备方法，其特征在于，包括：
1）将生物质作为碳源和活化剂均匀混合后进行研磨，得原料粉体；
2）将1）所得原料粉体在一定的气氛中在500℃～1000℃下煅烧30分钟～10小时，随炉冷却后取出样品用去离子水清洗并烘干，得到所述高效吸附CO2的多孔活性碳材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳源和活化剂的比例为1：（1～50）。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述碳源和活化剂的比例为1：（1～5）。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧温度为600℃～700℃。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述生物质为酪蛋白、蔗糖、尿素、壳聚糖、葡萄糖、中的至少一种。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述活化剂为KOH、K2CO3、NaOH、K2CO3、KHCO3、NaHCO3中的至少一种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述气氛为N2、H2、He、Ar中的至少一种。
8.一种根据权利要求1-7中任一项所述的方法制备的高效吸附CO2的多孔活性碳材料。
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