CN112194127A - 一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法 - Google Patents

一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法 Download PDF

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CN112194127A CN202010926212.8A CN202010926212A CN112194127A CN 112194127 A CN112194127 A CN 112194127A CN 202010926212 A CN202010926212 A CN 202010926212A CN 112194127 A CN112194127 A CN 112194127A
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刘小好
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Abstract

本发明涉及一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤，首先将生物质粉碎为微小颗粒；然后将粉碎后的生物质颗粒与酸性铵盐溶液按一定比例混合均匀形成混合物；将混合物放入水热反应釜中在一定温度条件下进行水热反应；将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；将干燥后的水热碳放入热解炉中，在一定温度条件下，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的氮掺杂碳材料；本发明采用的原料是可再生能源，涵盖所有生物质原料，相比于以煤炭作为制备活性炭的原材料，具有储量丰富、成本较低、保护环境的优点。

Description

一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法
技术领域
本发明属于氮掺杂碳材料制备领域，尤其是生物质制备氮掺杂碳材料领域。
背景技术
活性炭由于其具有发达的孔隙结构、较大的比表面积以及表面丰富的官能团,在生产及生活各个领域都具有广泛的应用；目前，常用的活性炭制备原料主要是以煤炭和木材为主，但是以煤炭作为制备原料，会引起资源利用紧张，成本较高以及污染环境等一系列问题；我国是一个农林业大国，农林废弃物等生物质资源非常丰富，资源化利用农林废弃物制备高性能的活性炭具有重要的研究意义以及在工业生产应用中拥有广泛的前景。
将氮元素掺杂在活性炭材料中，可以提高活性炭材料的亲水性，增加活性炭表面的官能团种类、改变碳材料的导电性和酸碱性等理化性质，从而在吸附、净化、电化学、催化等方面表现出更加优异的性能；目前，氮掺杂生物质活性炭的制备方法依据活化剂的种类以及工艺方法大致可以分为三类：物理活化法、化学活化法和水热炭化法；
物理活化法是利用气体(空气、烟道气、CO2等)、水蒸气或其混合物对原料进行活化，活化温度一般为700～1200℃，优点是操作简单，但是耗能较高，对原材料的活化效果一般；
化学活化法是将原料与活化剂按一定的比例混和浸渍后，在惰性气体或者自发气氛保护下制备活性炭的方法，具有能耗低、产率高、效果好等优点，但是所需活化剂要求高，试剂成本较高，氮掺杂率低；
水热炭化法是指将生物质作为原料，水作为反应介质，混合后放入密封的压力容器内，加热到100～375℃，生物质与亚临界状态下的水发生热化学反应的过程，水不仅可以促进生物质的水解反应，同时可以传递压力来对生物质进行理化改性，但是不足之处是活性炭产率一般，孔结构不发达。
中国发明专利CN109081339A公开了一种用于温室气体捕集的新型氮掺杂活性炭的制备方法。将餐厨垃圾粉碎后置于管式炉中于氦气气氛下300-600℃炭化，升温速率为5-10℃/min，炭化时间为0.5-3h，将炭化后的产物与氢氧化钾溶液混合浸渍，并将浸渍混合物烘干后放入管式炉中并以升温速率为5-10℃/min，活化时间为0.5-4h，活化温度为500-700℃，氦气气氛下高温活化，洗涤、干燥后得到氮掺杂活性炭。该工艺与本专利工艺区别是：首先，本专利工艺所用原材料为生物质，比餐厨垃圾原料获得范围更广，价格更加低廉，且绿色环保；其次，本专利采用酸性铵盐溶液水热预处理生物质的工艺，在水热过程中酸可以促进生物质水解、造孔和炭化进程，大大缩减碳化造孔时间，此外铵盐可以提供氮源，根据实际应用需要通过改变铵盐浓度调控氮掺杂含量。与直接将原材料炭化相比，本专利工艺造孔效果更加突出，并且只需一次高温炭化处理；此外，本专利采用快速热解工艺热解耗时短，更节能，且最终得到高比表面积、高介孔率的氮掺杂碳材料；
中国发明专利CN108499532A公开了一种双氧水预氧化废弃果壳的氮掺杂活性炭的制备方法。将粉碎后的废弃果壳与蒸馏水混合搅拌后水热，得到炭的前驱体，将其依次与双氧水、尿素、碱金属草酸盐混合搅拌，得到活化前悬浮液；悬浮液依次经过干燥、研磨、焙烧、洗涤、干燥等步骤，其中焙烧条件是在氮气气氛下，焙烧温度为500-700℃，焙烧时间为1-2h，制得氮掺杂活性炭。该工艺与本专利工艺区别是：首先，本专利工艺所用原材料为生物质，包括但不局限于废弃果壳，原料更加易得，局限性小；其次，本专利采用酸性铵盐溶液水热预处理生物质工艺，酸性铵盐溶液代替纯水水热可以实现生物质水解、碳化、造孔、氮元素掺杂协同进行效果更加显著，因为在酸性铵盐溶液水热过程中，酸可以增强水热反应中半纤维素和纤维素等物质的水解反应，使生物质变成疏松多孔的三维网状结构，有利于铵盐在生物质内部的渗透和分散，从而提高了活化的造孔效应以及氮元素的掺杂效果；然后，本专利的氮掺杂过程只需要酸性铵盐溶液水热活化预处理生物质后快速热解，较于依次使用双氧水、尿素、碱金属草酸盐等活化再进行慢速热解的工艺方法，操作步骤少，方法简便易行；最后，本专利采用快速热解工艺制备氮掺杂生物质活性炭，相较于慢速热解，热解时间短且更节能，如用氨气作为载气掺氮效果更佳，最终得到高比表面积、高介孔率的氮掺杂碳材料。
发明内容
为了解决上述问题，本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将生物质粉碎为微小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与酸性铵盐溶液按一定比例混合均匀形成混合物；
步骤三、将混合物放入水热容器中在一定温度条件下进行水热反应；
步骤四、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；
步骤五、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在一定温度条件下，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的氮掺杂碳材料。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤一中的生物质为农业固体废物、城市固体废物、林木废弃物、动物废物中任意一种或者两种以上的组合；所述农业固体废物包括农作物秸秆、果壳、微藻、鱼腥草、甘蔗渣、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖，所述林木废弃物包括木材、毛竹，所述城市固体废物废弃纸张、塑料废料、再生塑料，所述动物废物包括动物粪便、毛发。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤二中的酸性铵盐溶液为酸性无机氨盐溶液、酸性有机氨盐溶液、非酸性无机氨盐溶液、非酸性有机氨盐溶液中任意一种，所述酸性无机氨盐溶液包括NH4Cl、(NH4)2SO4、NH4HSO4、NH4H2PO4，所述酸性有机氨盐溶液包括甲酸铵，所述非酸性无机氨盐溶液包括(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4CO3、NH4HCO3，所述非酸性有机氨盐溶液包括乙酸铵、丙酸铵、尿素。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤三中生物质颗粒与酸性铵盐溶液按照氮碳质量比0.02:1-3:1的比例进行混合。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤三中的水热反应温度为80℃-300℃。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤三中的水热反应时间控制在1h-24h。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤五中的热解炉的热解温度为400℃-900℃。
作为本发明的进一步优化方案，所述步骤五中的快速热解时间控制在5min-2h。
本发明的有益效果在于：
1)本发明选用酸性铵盐溶液水热预处理与快速热解结合的方案，两者协同耦合，能够克服单一过程产生的碳化不完全、造孔不充分、氮掺杂效果不佳等问题，有利于氮元素的掺杂以及发达孔隙结构的形成，两者相辅相成，将生物质氮元素负载量以及造孔效果提升至高质量水平，最终制备得到高比表面积、高介孔率、高氮掺杂量的生物质活性炭；
2)本发明原料是可再生能源，涵盖所有生物质原料，相比于以煤炭作为制备活性炭的原材料，具有储量丰富、成本较低、保护环境的优点；
3)将水热炭化法与化学活化法相结合，不仅具有活性炭产率高、活化效果好的优点，同时能够节省活化剂用量，降低生产成本，具有广阔的发展前景。
附图说明
图1是本发明中氮掺杂碳材料中N的XPS谱图；
图2是本发明中氮掺杂碳材料的氮气吸脱附检测报告；
图3是本发明中氮掺杂碳材料的等温吸附曲线；
图4是本发明的制备方法的步骤流程图；
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
如图1至图4所示一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将生物质粉碎为微小颗粒；
其中，生物质为农业固体废物、城市固体废物、林木废弃物、动物废物中任意一种或者两种以上的组合；
所述农业固体废物包括农作物秸秆、果壳、微藻、鱼腥草、甘蔗渣、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖，所述林木废弃物包括木材、毛竹，所述城市固体废物废弃纸张、塑料废料、再生塑料，所述动物废物包括动物粪便、毛发；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与酸性铵盐溶液按照氮碳质量比0.02:1-3:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
其中，酸性铵盐溶液为酸性无机氨盐溶液、酸性有机氨盐溶液、非酸性无机氨盐溶液、非酸性有机氨盐溶液中任意一种，
所述酸性无机氨盐溶液包括NH4Cl、(NH4)2SO4、NH4HSO4、NH4H2PO4，所述酸性有机氨盐溶液包括甲酸铵，所述非酸性无机氨盐溶液包括(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4CO3、NH4HCO3，所述非酸性有机氨盐溶液包括乙酸铵、丙酸铵、尿素；
步骤三、将混合物放入水热反应釜中在80℃-300℃的水热温度条件下进行水热反应，并且水热反应时间控制在1h-24h；
步骤四、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；
步骤五、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在400℃-900℃温度条件下，在惰性气氛保护下进行快速热解，快速热解时间控制在5min-2h，得到快速热解后的氮掺杂碳材料。
本发明提出利用酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解将农作物秸秆等生物质转化为氮掺杂碳材料的方法，是将两个过程有机结合起来，发挥酸性铵盐溶液、水热反应和快速热解三者的协同耦合作用。
在水热过程中酸作为催化剂，能够同步实现脱灰、预碳化和铵盐负载，促进碳化过程和氮元素的掺杂过程，缩减了后续处理所用的时间，在惰性气氛下进行快速热解，酸的存在又能够同步实现酸造孔和促进铵盐中氮原子掺杂进程，用氨气作为载气掺氮效果更佳。
首先酸性铵盐水热过程，酸可以催化生物质中半纤维素和纤维素组分的水解反应，使生物质造孔变成疏松多孔的三维网状结构，从而有利于氮在生物质内部的渗透和分散，实现氮元素高效且均匀的负载。且酸可以在此过程中能去除生物质中的碱金属与碱土金属，从而显著降低碳材料中的灰分含量，且这些物质的脱出为酸性铵盐溶液在生物质中的深度浸渍提供位点进一步促进了氮元素的负载。酸的存在也利于生物质的碳化；
水热预炭化会在有机质材料上形成很多含氧官能团，而使用酸性铵盐溶液能够使生物质材料变成疏松多孔的三维结构，这样在酸性铵盐溶液水热预处理过程中就会在生物质材料的表面和疏松的内部三维结构上形成大量的含氧官能团，含氧官能团能够再与酸性铵盐溶液反应，使铵根成功负载于生物质材料上，而且掺杂量高，但这种形式的负载并未真正的将氮元素掺杂进碳骨架中，因此还需要进一步进行碳化和活化；
由于经过了酸性铵盐溶液水热预炭化，已经形成了疏松的结构，且负载了大量的铵根，长时间的高温炭化活化操作会破坏材料结构，使碳骨架发生坍塌，影响材料最终的孔隙结构，另一方面会使已经负载的N脱落，无法达到形成有效氮掺杂的生物质碳材料的目的。
现有技术中的单一快速热解通常都是采用高温气体快速的对生物质进行处理，对块状或颗粒状物料的处理效果不佳，而且快速热解技术主要的目标产品是生物油，处理后炭得率很低；
两者结合能够扬长避短，能够对形成的疏松结构的材料内部进行快速的炭化活化，使含氧官能团去除形成孔隙结构，在此同时大量的负载N能够获得插入碳骨架的机会，短时间快速处理又保证了结构不会被破坏，快速热解可以进一步促进发达孔隙的形成和氮元素的掺杂进程，相比慢速热解，快速热解能耗低、热解时间短；
但是若没有酸性铵盐溶液水热预处理，而是直接将生物质快速热解制备氮掺杂活性炭，由于升温快、反应时间短，反应不够充分，会导致氮掺杂效果不好、生物质活性炭灰分大等问题的出现。
本方法经过酸性铵盐溶液水热预处理后，形成了多孔水热碳结构并完成了铵盐的充分负载和碳材料脱灰，而快速热解可以进一步增强造孔效果，并将氮元素插入碳骨架中，弥补了直接快速热解的缺陷。经过实验研究，在氮气气氛或氨气气氛下经过快速热解产生了吡咯N、吡啶N以及季型N形式的键接，说明氮元素成功掺杂在生物质介孔碳中；因此我们选用酸性铵盐溶液水热预处理与快速热解结合的方案，两者协同耦合，能够克服单一过程产生的碳化不完全、造孔不充分、氮掺杂效果不佳等问题，有利于氮元素的掺杂以及发达孔隙结构的形成，两者相辅相成，将生物质氮元素负载量以及造孔效果提升至高质量水平，最终制备得到高比表面积、高介孔率、高氮掺杂量的生物质活性炭。
因此，使用生物质材料经过酸性铵盐溶液水热预处理联合快速热解工艺制备具有高比表面积、发达的孔隙结构以及高氮掺杂量的氮掺杂碳材料，具有重大的研究意义和工业生产价值。
实施例1
在该实施例中，选取五种不同种类生物质进行粉碎后，并分别称取5g上述生物质粉末待用，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，700℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同种类的生物质条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表1：
表1酸性铵盐溶液水热预处理不同种类生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000101
实施例2
在该实施例中，测试不同氮源和酸源对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变氮源和酸源种类，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与酸性铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，700℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同氮源和碳源条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表2：
表2不同氮源和酸源下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000111
实施例3
在该实施例中，测试不同氮碳比对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变氮碳的质量比，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.02:1、0.2:1、0.4:1、0.8:1、1:1、3:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，700℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同氮碳质量比的条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表3：
表3不同氮碳比下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000121
实施例4
在该实施例中，测试不同水热反应温度对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变水热反应的温度，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于80℃、100℃、200℃、250℃、300℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，700℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同水热反应温度条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表4：
表4不同水热反应温度下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000131
实施例5
在该实施例中，测试不同水热反应时间对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变水热反应的时间，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热1h、4h、12h、14h、24h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，700℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同水热反应时间条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表5：
表5不同水热反应时间下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000141
实施例6
在该实施例中，测试不同快速热解温度对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变快速热解的温度，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，分别在400℃、450℃、700℃、800℃、900℃快速热解30min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同快速热解的温度条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表6：
表6不同快速热解温度下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000151
实施例7
在该实施例中，测试不同快速热解时间对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，仅改变快速热解的时间，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥；
步骤五、将干燥后的水解转移放入热解炉中，在氮气氛围的保护下，分别在700℃快速热解5min、30min、90min、120min，得到生物质源氮掺杂碳材料。
分别收集不同的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不同快速热解的时间条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积见表7：
表7不同快速热解时间下酸性铵盐溶液水热预处理生物质联合快速热解制备氮掺杂碳材料的比表面积和元素组成
Figure BDA0002668380680000161
对比例1
在该对比例中，测试仅采用生物质与酸性铵盐溶液的水热反应的过程，即不进行快速热解方法的条件下，对氮掺杂生物质碳材料性质的影响，并按照下面的制备方法制备氮掺杂碳材料；
一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，包括以下步骤：
步骤一、将玉米秸秆生物质粉碎为细小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒选取5g与氯化铵盐溶液按氮/碳质量比为0.8:1的比例进行混合，形成均匀混合物；
步骤三、并将混合物放入容积为100ml的带有聚四氟乙烯内衬的水热反应釜中，将反应釜密封后置于200℃烘箱中水热12h；
步骤四、水热反应后取出反应釜，待反应釜冷却至室温后，将水热产物转移至烧杯中，置于烧杯中干燥，得到生物质源氮掺杂碳材料。
收集上述的生物质源氮掺杂碳材料并进行检测，在不进行快速热解的条件下，制备的氮掺杂碳材料的比表面积为398.1m2/g；将该数据与本申请实施例5的数据相比，即在同等条件下，本申请进行了快速热解反应后的氮掺杂碳材料比表面积高达2076.7m2/g；因此，可以显而易见的看出，采用本申请制造的氮掺杂碳材料的参数远远优于现有技术制造的氮掺杂碳材料。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法,其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将生物质粉碎为微小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与酸性铵盐溶液按比例均匀形成混合物；
步骤三、将混合物进行水热反应，生成水热碳；
步骤四、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；
步骤五、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的氮掺杂碳材料。
2.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法,其特征在于：所述步骤一中的生物质为农业固体废物、城市固体废物、林木废弃物、动物废物中任意一种或者两种以上的组合；所述农业固体废物包括农作物秸秆、果壳、微藻、鱼腥草、甘蔗渣、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖，所述林木废弃物包括木材、毛竹，所述城市固体废物废弃纸张、塑料废料、再生塑料，所述动物废物包括动物粪便、毛发。
3.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法,其特征在于：所述步骤二中的酸性铵盐溶液为酸性无机氨盐溶液、酸性有机氨盐溶液、非酸性无机氨盐溶液、非酸性有机氨盐溶液中任意一种，所述酸性无机氨盐溶液包括NH4Cl、(NH4)2SO4、NH4HSO4、NH4H2PO4，所述酸性有机氨盐溶液包括甲酸铵，所述非酸性无机氨盐溶液包括(NH4)3PO4、(NH4)2HPO4、NH4CO3、NH4HCO3，所述非酸性有机氨盐溶液包括乙酸铵、丙酸铵、尿素。
4.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，其特征在于：所述步骤三中生物质颗粒与酸性铵盐溶液按照氮碳质量比0.02:1-3:1的比例进行混合。
5.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，其特征在于：所述步骤三中的水热反应温度为80℃-300℃。
6.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，其特征在于：所述步骤三中的水热反应时间控制在1h-24h。
7.根据权利要求1所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，其特征在于：所述步骤五中的热解炉的热解温度为400℃-900℃。
8.根据权利要求7所述的一种生物质制备氮掺杂碳材料的方法，其特征在于：所述步骤五中的快速热解时间控制在5min-2h。
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