CN114053996A - 一种一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用，多孔碳材料的比表面积为174～1639m2/g，总孔体积为0.23～0.68cm3/g，孔径小于2nm的微孔孔体积为0.07～0.60cm3/g，小于1nm的超微孔孔体积为0.02～0.31cm3/g，多孔碳中氮元素的质量含量为1.79～6.22％。多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：步骤一，前驱体的制备；步骤二，活化‑碳化处理。多孔碳材料应用于CO2的吸附或CO2/CH4的分离领域。本发明的制备方法操作简单、经济效益高，制备的多孔碳材料使用方便，具有良好的吸附性能，对CO2/CH4混合气体分离效果好。

Description

一种一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用。
背景技术
煤层气是一种储存于地下煤层中的非常规天然气，其主要成分CH4是一种高效、清洁的优质能源，可作为汽车的能源燃料。我国煤层气资源丰富，储量居世界第三位，但随着抽采量的逐年增加，利用率却一直不高。这主要是由于我国煤层气主要采用井下抽采方式来开采，通常会注入大量CO2，以驱替残留瓦斯，从而导致煤层气中除CH4外还含有大量的CO2，无法被直接利用，只能以低体积分数瓦斯排入大气。由于CH4和CO2均为温室气体，且CH4温室效应是CO2的21倍，对臭氧层的破坏能力是CO2的7倍。因此，分离煤层气中的CO2和CH4，实现煤层气中CH4的富集，兼具能源和环保双重功能，意义重大。
目前，用于捕集CO2的方法主要有溶剂吸收法、膜分离法、低温分离法和变压吸附法。其中，变压吸附技术以其能耗低、稳定性好、操作过程灵活、对设备腐蚀小等优点得到了广泛的认可。变压吸附的关键是吸附剂的选择。多孔碳具有物理化学性质稳定、原料易得、制备工艺简单等优点，因此被认为是最有开发意义的一类吸附剂，通过制备条件的改变，可有效调控其孔道结构和优化表面性质。KOH化学活化可获得孔隙结构发达的多孔碳，但KOH所固有的强碱性和腐蚀性却限制了其大规模的应用。多孔碳的氮掺杂可在碳骨架中增加活性位点，增强多孔碳与酸性气体CO2之间的相互作用，然而，氮掺杂过程也增加了多孔碳的制备步骤。此外，目前所制得的多孔碳材料多为粉末状，堆积密度低，易造成粉尘污染，成为多孔碳吸附长期面临的问题。
申请公告号为CN107055531A的中国发明专利申请公开了“一种生物质基氮掺杂多孔碳材料的制备方法”，该专利将生物质原料粉碎后与三聚氰胺混合，在氮气下高温碳化，所得碳化产物再与KOH混合，再置于氮气下高温活化，得到氮掺杂多孔碳材料。申请公告号为CN113213474A的中国发明专利申请公开了“一种高比表面积与高产率的多孔碳材料及其含氮化合物辅助活化制备方法和应用”，该专利将生物质进行碳化反应得到半碳化产物，再与含氮化合物(尿素，三聚氰胺，氯化铵等)和碱性化合物(如KOH，NaOH，K2CO3等)混合，进行再次活化反应得到多孔碳材料。
因此，针对目前多孔碳材料制备步骤繁琐，使用碱性、腐蚀性活化剂，制得多孔碳材料为粉末状不便于使用等问题，需要提供一种改进的技术方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用，用以解决目前的多孔碳材料制备过程中使用碱性腐蚀性活化剂、制备过程繁琐，多孔碳材料为粉末状不便于使用的问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种一体成型含氮块状多孔碳，所述多孔碳的比表面积为174～1639m2/g，总孔体积为0.23～0.68cm3/g，孔径小于2nm的微孔孔体积为0.07～0.60cm3/g，孔径小于1nm的超微孔孔体积为0.02～0.31cm3/g，所述多孔碳中氮元素的质量含量为1.79～6.22％。
一种一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，前驱体的制备：制备葡萄糖溶液，将三聚氰胺海绵浸入葡萄糖溶液中，然后冷冻干燥，得到葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体；
步骤二，活化-碳化处理：将所述步骤一中得到的葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体在炉内升温至目标温度，所述升温过程在氮气氛围下进行；升温至目标温度后，将氮气转换为二氧化碳气体，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理，随后再将气体更换为氮气降至室温，得到一体成型含氮块状多孔碳材料。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述葡萄糖溶液的质量浓度为1-6.25％；
优选地，所述葡萄糖溶液的质量浓度为3.23％。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述三聚氰胺海绵与葡萄糖之间的质量比为0.3：1。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述冷冻干燥的温度低于-45℃，冷冻干燥时间为24-36h；
优选地，所述冷冻干燥的温度为-50℃。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述目标温度为700-900℃。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述步骤二中升温过程中的升温速率为2-5℃/min。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，所述氮气的流速为50-70ml/min；所述二氧化碳气体在升温至所述目标温度前提前通入，二氧化碳气体的流速为50-70ml/min。
在如上所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，优选，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理时间为0.5-3h。
一种一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法制备出的多孔碳材料的应用，所述多孔碳材料应用于CO2的吸附或CO2/CH4的分离领域。
有益效果：
本发明的一体成型含氮块状多孔碳材料制备过程中不使用碱性腐蚀性活性剂，步骤简单，应用于CO2吸附领域，具有较好的效果，有益效果具体为：
(1)碳化-活化一步完成，采用二氧化碳气体物理活化的方法，步骤简单，得到的产物无需再洗涤处理；制备的多孔碳材料为一体成型的块体结构，方便使用。
(2)以三聚氰胺发泡的海绵作为氮源，同时作为块体的碳支撑骨架，以葡萄糖为二次碳源添加入骨架中，一步实现多孔碳的碳化-活化，所制备的活性多孔碳微孔率高，氮含量高。
(3)所使用的原料为三聚氰胺海绵，原料廉价易得，具有明显的经济效益。
(4)活化后所得的块体多孔碳材料无需进一步处理，操作简单，一步制得，可以直接应用。
(5)制备的活性多孔碳具有良好的CO2吸附性能，同时具有优异的CO2/CH4选择性，可以应用在CO2与CH4的分离领域。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：
图1为本发明实施例1的照片图；
图2为本发明实施例1的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1的X-射线粉末衍射谱图；
图4为本发明实施例1在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图5为本发明实施例1在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图6为本发明实施例1在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图7为本发明实施例2的X-射线粉末衍射谱图；
图8为本发明实施例2在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图9为本发明实施例2在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图10为本发明实施例2在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图11为本发明实施例3的X-射线粉末衍射谱图；
图12为本发明实施例3在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图13为本发明实施例3在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图14为本发明实施例3在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图15为本发明实施例4在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图16为本发明实施例4在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图17为本发明实施例4在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图18为本发明实施例5在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图19为本发明实施例5在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图20为本发明实施例5在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图21为本发明实施例6在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图22为本发明实施例6在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图23为本发明实施例6在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图24为本发明实施例7在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图25为本发明实施例7在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图26为本发明实施例7在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线；
图27为本发明对比例1在-196℃的N2吸-脱附等温曲线；
图28为本发明对比例1在25℃下的CO2和CH4吸附曲线；
图29为本发明对比例1在25℃下的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，能够解决现有的多孔碳材料制备过程复杂，粉末状态不易使用的问题，本发明的多孔碳材料一体成型成块状，制备过程简单，微孔率高，氮含量高，应用于CO2/CH4混合气体中能够将CO2和CH4有效分离。本发明中制备的多孔碳材料一体成型成块状，多孔碳的比表面积大、孔隙率高，比表面积为174～1639m2/g(比如200m2/g、400m2/g、600m2/g、1000m2/g、1200m2/g、1500m2/g、)，总孔体积为0.23～0.68cm3/g(比如0.3cm3/g、0.4cm3/g、0.5cm3/g)，孔径小于2nm的微孔孔体积为0.07～0.60cm3/g(比如0.1cm3/g、0.2cm3/g、0.3cm3/g、0.4cm3/g、0.5cm3/g)，占总孔体积的53～93％(比如60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％)；孔径小于1nm的超微孔孔体积为0.02～0.31cm3/g(比如0.05cm3/g、0.1cm3/g、0.2cm3/g、0.3cm3/g)，占总孔体积的11～93％(比如12％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％)；多孔碳中氮元素的质量含量为1.79～6.22％(比如2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％)。
本发明提供的一体成型含氮块状多孔碳材料中N元素含量高，N元素能够提供大量的路易斯碱性位点，有利于CO2(酸性气体分子)的吸附，但对甲烷无明显作用，从而提高多孔碳材料的选择性能。
本发明中采用的原料为三聚氰胺海绵，即蜜胺泡棉(Melamine Foam)是一种以三聚氰胺为原料制造的可弯曲的柔性的开放式泡沫，具有精细的三维丝网结构。
本发明提供的一种一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、将三聚氰胺海绵切割成块状备用；配置葡萄糖溶液备用，葡萄糖溶液的质量浓度为1-6.25％(比如1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％、5.5％、6％)；三聚氰胺海绵与葡萄糖的质量比满足0.3:1；将切割好的三聚氰胺海绵浸入葡萄糖溶液中，至葡萄糖溶液被三聚氰胺海绵块完全且均匀的吸收，然后在低于-45℃下冷冻干燥24-36h，得到葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体；优选地，冷冻干燥的温度为-50℃。
葡萄糖溶液配制过程为：将葡萄糖溶于去离子水中，搅拌使其充分溶解，得到均匀的葡萄糖溶液。质量浓度为1％的葡萄糖溶液表示：将1g的葡萄糖溶于99g的去离子水中，搅拌均匀后得到葡萄糖溶液。本发明的具体实施例中均采用将0.5g葡萄糖，溶于15g去离子水中，搅拌使其充分溶解，搅拌均匀后得到质量浓度为3.23％葡萄糖溶液。
步骤二、将步骤一中得到的葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体放入瓷舟中，置于管式炉内，在N2气氛围下进行升温处理，升温至目标温度700-900℃(比如750℃、780℃、800℃、820℃、840℃、850℃、860℃、880℃)；优选地，目标温度为700℃、800℃和900℃。管式炉中N2的流速为50-70ml/min(比如55ml/min、60ml/min、65ml/min、68ml/min)，升温速率为2-4℃/min(比如2.5℃/min、3℃/min、3.5℃/min)；优选地，升温速率为3℃/min。
升温至目标温度后，将氮气转换为二氧化碳气体，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理，随后再将气体更换为氮气自然冷却至室温后取出，得到一体成型含氮块状多孔碳材料。活化过程中多孔碳材料中的部分碳原子气化，进而逐步形成发达的孔道结构，使多孔碳具有更发达的孔隙结构和更大的孔体积，可提高材料吸附气体的能力。
目标温度如果过低则不能达到CO2活化的效果，温度过高则会破坏结构，造成孔道的塌陷，不利于对气体的吸附。
本发明的具体实施例中，二氧化碳气体在升温至目标温度前提前通入，二氧化碳气体的流速为50-70ml/min(比如55ml/min、60ml/min、65ml/min、68ml/min)；二氧化碳气体的进气速率是为计算提前更换气体的时间，以保证在达到目标温度时，管式炉腔体内充满CO2气体。
本发明的具体实施例中，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理时间为0.5-3h(比如1h、1.5h、2h、2.5h、3h)。恒温碳化-活化时间过短，不能达到预期优化多孔碳材料孔道结构的效果；恒温碳化-活化时间过长即过度活化，会致使材料产率低，容易造成骨架的坍塌，不能很好地维持块状形态。
本发明制备的含氮块状多孔碳材料用于CO2的吸附或CO2/CH4的分离时，CO2/CH4的选择性系数为3.36～5.27。本发明中的选择性系数是指吸附材料对气体的吸附偏好。对体积比为15:85的二元混合气体CO2/CH4的计算得到，选择性系数的计算是通过CO2和CH4的纯组分吸附量，通过IAST理论计算，得到吸附材料对CO2/CH4二元混合气体的选择性。
以下结合具体的实施例对本发明的一体成型含氮块状多孔碳材料及其制备方法和应用进行进一步的说明，以下实施例和对比例中使用的管式炉长为1000mm，内径为60mm，体积为2826cm3。
以下实施例和对比例中所涉及的测试仪器与分析方法具体如下：
元素分析仪，测量块状多孔碳的氮含量；
智能重量分析仪(IGA002)测量纯组分气体CO2和CH4的等温吸附曲线；
多点Brunauer-Emmett-Teller(BET)法计算比表面积；
根据P/P0＝0.99时，液氮的吸附量计算多孔碳的总孔体积；
非定域密度泛函理论(NDFT)计算超微孔(<1nm)孔体积和微孔(<2nm)孔体积；
扫描电镜，表征多孔碳的表面形貌。
实施例1
本实施例提供的一种一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)前驱体的制备
将100×70×30mm的块状海绵切割成小块，每块为0.15g。将0.5g的葡萄糖溶于15ml的去离子水中，搅拌至充分溶解，得到葡萄糖溶液。将切割好的块状三聚氰胺海绵(约0.15g)浸入所制得的葡萄糖溶液中，至溶液完全被吸收。将得到的浸满葡萄糖溶液的三聚氰胺海绵在-50℃温度下冷冻干燥24h，得到葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体。
(2)活化-碳化处理
将冷冻干燥后的葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体放入瓷舟中，置于管式炉内，在氮气氛围保护下(流速为60ml/min)，以3℃/min的速率升温至800℃，然后更换为二氧化碳气体活化(流速为60ml/min，提前通入，确保目标温度时管式炉内充满二氧化碳气体)，在该温度下恒温活化时间为3h，随后再将气体更换为氮气降至室温，得到一体成型含氮块状多孔碳材料(编号为AMC-800-3)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的照片如图1所示，为块状多孔碳。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的扫描电镜图如图2所示，由图2可见，样品表面交联网状，这种交联的孔结构利于气体在吸附剂内的运输。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的X-射线粉末谱图如图3所示，由图3可见，2θ角约为23°和43°处有两个较宽的特征峰，证明了多孔碳的无定形结构。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃下的N2吸-脱附等温线如图4所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该块状多孔碳含有大量的微孔。
经测定，本实施例的比表面积为1398m2/g，总孔体积为0.66cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.51cm3/g，占总孔体积比例为77％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.30cm3/g，占总孔体积比例为45％。通过元素分析，测得氮元素的质量含量为2.08％。
本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图5所示，由图5可见，在1bar(0.1MPa)压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.84mmol/g和1.35mmol/g。
本实施例在二元混合气体CO2/CH4(混合气体的体积比为15/85)的选择性曲线如图6所示，由图6可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为5.27。
选择性系数的计算过程是基于IAST理想溶液吸附理论的选择性方程：
Figure BDA0003329807350000091
其中，S为选择性系数，p1是指CO2气体的分压，p2是指CH4的分压，这里也就是15：85；本实施例中测试压力为1bar，故CO2分压为0.15bar，CH4分压为0.85bar。
q1是将CO2的分压即0.15bar带入下式等温吸附线的拟合方程中，求得此分压下的理论CO2吸附量；
q2即是CH4，将分压即0.85bar带入下式等温吸附线的拟合方程中，求得此分压下的理论CH4吸附量.
CO2和CH4吸附等温线采用Sips等温吸附方程拟合：
Figure BDA0003329807350000092
其中，p为压力，单位为bar；qm表示吸附质在吸附剂上的极限吸附量，单位为mmolg-1，即该材料在压力无限大时的极限吸附量；q为吸附剂对吸附质的吸附量，单位为mmol g-1；b和n为吸附平衡常数，且都是温度的参数与温度的变化成反比，b代表吸附质与吸附剂之间的亲和力，n值表示材料表面的非均质性，通常来说n>1，且n值越离1越远代表材料表面的非均质程度越大，当n＝1时Sips方程回归到Langmuir方程。
实施例2
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中二氧化碳气体恒温活化时间为1.5h。其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-800-1.5)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的X-射线粉末谱图如图7所示，由图7可见，2θ角约为23°和43°处有两个较宽的特征峰，证明了多孔碳为无定形结构。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃下的N2吸-脱附等温线如图8所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该多孔碳的孔隙结构为微孔。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为627m2/g，总孔体积为0.25cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.23cm3/g，占总孔体积比例为92％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.22cm3/g，占总孔体积比例为88％。通过元素分析，氮元素的质量含量为3.50％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图9所示，由图9可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.57mmol/g和1.36mmol/g。
本实施例在二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图10所示，由图10可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为4.69。
实施例3
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中二氧化碳气体恒温活化时间为0.5h。其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-800-0.5)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的X-射线粉末谱图如图11所示，由图11可见，2θ角约为23°和43°处有两个较宽的特征峰，证明了多孔碳为无定形结构。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下测得的N2吸-脱附等温线如图12所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该块状多孔碳的孔隙结构为微孔。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为606m2/g，总孔体积为0.25cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.23cm3/g，占总孔体积比例为92％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.21cm3/g，占总孔体积比例为84％。通过元素分析，氮元素的质量含量为4.99％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图13所示，由图13可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.50mmol/g和1.32mmol/g。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图14所示，由图14可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为4.45。
实施例4
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中在氮气氛围下的升温至700℃，然后再更换为二氧化碳气体活化，其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-700-3)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下N2吸-脱附等温线线如图15所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该块状多孔碳的孔隙结构为微孔。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为763m2/g，总孔体积为0.31cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.28cm3/g，占总孔体积比例为90％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.26cm3/g，占总孔体积比例为84％。通过元素分析，氮元素的质量含量为3.31％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图16所示，由图16可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.68mmol/g和1.43mmol/g。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图17所示，由图17可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为4.36。
实施例5
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中在氮气氛围下的升温至700℃，然后更换为二氧化碳气体活化，在该温度下恒温活化时间为1.5h。其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-700-1.5)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下测得的N2吸-脱等温曲线如图18所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该块状多孔碳的孔隙结构为微孔。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为306m2/g，总孔体积为0.24cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.09cm3/g，占总孔体积比例为38％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.02cm3/g，占总孔体积比例为8％。通过元素分析，氮元素的质量含量为3.96％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图19所示，由图19可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.24mmol/g和1.13mmol/g。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图20所示，由图20可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为5.07。
实施例6
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中在氮气氛围下的升温温度为700℃，在二氧化碳氛围下恒温活化时间为0.5h。其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-700-0.5)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下测得的N2吸-脱附温曲线如图21所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线线符合II型，说明该块状多孔碳的空隙结构没有得到较好的发育。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为232m2/g，总孔体积为0.23cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.07cm3/g，占总孔体积比例为30％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.02cm3/g，占总孔体积比例为9％。通过元素分析，氮元素的质量含量为6.22％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图22所示，由图22可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.08mmol/g和1.22mmol/g。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图23所示，由图可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为4.55。
实施例7
本实施例的制备方法，与实施例1的区别仅在于：步骤(2)中在氮气氛围下的升温温度为900℃，在二氧化碳氛围下恒温活化时间为1.5h。其他制备步骤与实施例1中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为AMC-900-1.5)。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下测得的N2吸-脱附等温曲线如图24所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线符合I型，说明该块状多孔碳的孔隙结构为微孔。
经测定，本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为1639m2/g，总孔体积为0.68cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.60cm3/g，占总孔体积比例为88％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.31cm3/g，占总孔体积比例为46％。通过元素分析，氮元素的质量含量为1.79％。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图25所示，由图25可见，在1bar压力时，本实施例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.70mmol/g和1.28mmol/g。
本实施例制备得到的一体成型块状多孔碳在二元混合气体CO2/CH4(体积比为15/85)的选择性曲线如图26所示，由图26可见，本实施例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为3.36。
对比例1
本对比的制备方法，与实施例6的区别仅在于：步骤(2)中，达到700℃温度时，不进行气体的更换(全部过程通入氮气)，恒温活化时间为0.5h。其他制备步骤与实施例6中的相同，不再赘述，最终得到一体成型含氮块状多孔碳(编号为MC-700-0.5)。
本对比例制备得到的一体成型块状多孔碳在-196℃条件下测得的N2吸-脱附温曲线如图27所示，根据国际纯粹与应用化学联合会分类，可知该N2吸-脱附等温曲线线符合II型，说明该块状多孔碳的空隙结构没有得到较好的发育。
本对比例制备得到的一体成型块状多孔碳的比表面积为174m2/g，总孔体积为0.22cm3/g，微孔(孔径<2nm)孔体积为0.05cm3/g，占总孔体积比例为23％，超微孔(孔径<1nm)孔体积为0.01cm3/g，占总孔体积比例为5％。通过元素分析，氮元素的质量含量为7.58％。
本对比例制备得到的一体成型块状多孔碳在25℃下的CO2和CH4吸附等温曲线如图28所示，由图28可见，在1bar压力时，本对比例在25℃下的CO2和CH4吸附量分别为2.06mmol/g和1.08mmol/g。
本对比例制备得到的一体成型块状多孔碳在二元混合气体CO2/CH4(体积比15/85)的选择性曲线如图29所示，由图29可见，本对比例在25℃和1bar压力时，CO2/CH4选择性系数为1.10。
综上所述：本发明制备的含氮块状多孔碳的比表面积为98～1639cm2/g，总孔体积为0.05～0.68cm3/g，孔径小于2nm的微孔孔体积为0.03～0.60cm3/g，占总孔体积的53～93％；孔径小于1nm的超微孔孔体积为0.01～0.31cm3/g，占总孔体积的11～93％；氮元素的质量含量为1.79～6.22％；多孔碳材料一体成型成块状，含有较多微孔和较高的氮含量，用于吸附CO2或者CO2/CH4混合气体的分离效果好，且制备过程简单碳化-活化一步完成，产物无需再洗涤处理，经济效益高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种一体成型含氮块状多孔碳，其特征在于，所述多孔碳的比表面积为174～1639m2/g，总孔体积为0.23～0.68cm3/g，孔径小于2nm的微孔孔体积为0.07～0.60cm3/g，孔径小于1nm的超微孔孔体积为0.02～0.31cm3/g，所述多孔碳中氮元素的质量含量为1.79～6.22％。
2.一种如权利要求1所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
步骤一，前驱体的制备：制备葡萄糖溶液，将三聚氰胺海绵浸入葡萄糖溶液中，然后冷冻干燥，得到葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体；
步骤二，活化-碳化处理：将所述步骤一中得到的葡萄糖-三聚氰胺海绵前驱体在炉内升温至目标温度，所述升温过程在氮气氛围下进行；升温至目标温度后，将氮气转换为二氧化碳气体，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理，随后再将气体更换为氮气降至室温，得到一体成型含氮块状多孔碳材料。
3.如权利要求2所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述葡萄糖溶液的质量浓度为1-6.25％；
优选地，所述葡萄糖溶液的质量浓度为3.23％。
4.如权利要求2或3所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述三聚氰胺海绵与葡萄糖之间的质量比为0.3：1。
5.如权利要求2所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度低于-45℃，冷冻干燥时间为24-36h；
优选地，所述冷冻干燥的温度为-50℃。
6.如权利要求2所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述目标温度为700-900℃。
7.如权利要求2或6所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中升温过程中的升温速率为2-5℃/min。
8.如权利要求2或6所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述氮气的流速为50-70ml/min；所述二氧化碳气体在升温至所述目标温度前提前通入，二氧化碳气体的流速为50-70ml/min。
9.如权利要求2或6所述的一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法，其特征在于，在二氧化碳气体保护下进行恒温的碳化-活化处理时间为0.5-3h。
10.一种如权利要求2～9任一所述一体成型含氮块状多孔碳材料的制备方法制备出的多孔碳材料的应用，所述多孔碳材料应用于CO2的吸附或CO2/CH4的分离领域。
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