CN115518618B - 一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质材料进行碳化，得到碳源；将所述碳源和4‑氨基苯甲酸钾水溶液混合后依次进行干燥和在保护气氛下煅烧，得到所述氮掺杂多孔碳材料。本发明以4‑氨基苯甲酸钾作为制备氮掺杂多孔碳材料的氮源和活化剂，在活化过程中同步完成氮掺杂，经过一步煅烧即可制备得到氮掺杂多孔碳材料，制得的氮掺杂多孔碳材料具有较高的比表面积和氮含量，具有优异的CO2吸附性能，对CO2的吸附量高。
Description
技术领域
本发明属于多孔碳材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。
背景技术
氮掺杂多孔碳材料在能源、环境、催化、吸附等领域都有着广泛的应用研究。氮掺杂多孔碳材料作为CO2吸附剂，其中的碱性含氮基团与微孔都会影响CO2的吸附。
氮掺杂多孔碳材料的制备主要需要考虑多孔结构与氮掺杂这两个方面的问题。为了在碳材料中实现氮掺杂，一般有以下两种方法：一是使用本身含有氮元素的有机物作为起始材料；二是在高温下使用氨气等含氮化合物对碳材料进行后处理。另一方面，为了在碳材料中形成发达的多孔结构，化学活化为最常用的方法。化学活化的主要过程是将起始材料进行碳化后作为碳源，将碳源与活化剂均匀混合，再在高温下进行处理。目前，使用最广泛的活化剂为氢氧化钾、磷酸、氯化锌等。这些活化剂具有普适性，但是本身有腐蚀性，在高温下会对仪器设备形成一定程度的腐蚀。
传统的氮掺杂多孔碳材料的制备需要用不同的材料分别作为活化剂和氮源。如中国专利CN110078046A公开了一种氮掺杂多孔碳材料的制备与应用，使用二氧化碳作为物理活化剂，但是活化剂本身并不具备氮掺杂功能，需要额外加入其他物质作为氮源。而且，制得的氮掺杂多孔碳材料存在着对二氧化碳吸附量低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明制得的氮掺杂多孔碳材料，比表面积大，氮含量高，对二氧化碳吸附量高。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
将生物质材料进行碳化，得到碳源；
将所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液混合后依次进行干燥和在保护气氛下煅烧，得到所述氮掺杂多孔碳材料。
优选的，所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液中的4-氨基苯甲酸钾的质量比为1:1～5。
优选的，所述4-氨基苯甲酸钾水溶液中4-氨基苯甲酸钾与水的质量比为1:5～20。
优选的，所述煅烧的温度为600～900℃，时间为1～2h。
优选的，所述煅烧后还包括将得到的煅烧产物依次进行洗涤和再干燥。
优选的，所述干燥和再干燥的温度独立地为100～120℃，时间独立地为4～6h。
优选的，所述生物质材料包括壳聚糖、纤维素、琼脂、木质素、淀粉、明胶、蔗糖和果糖中的一种或多种。
优选的，所述碳化包括水热碳化或高温碳化；
所述水热碳化的温度为160～220℃，时间为1～6h；
所述高温碳化的温度为400～600℃，时间为1～2h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为400～1600m2/g，氮含量为2～6wt％。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料作为CO2吸附剂的应用。
本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：将生物质材料进行碳化，得到碳源；将所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液混合后依次进行干燥和在保护气氛下煅烧，得到所述氮掺杂多孔碳材料。
本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：
本发明以4-氨基苯甲酸钾作为制备氮掺杂多孔碳材料的氮源和活化剂，在活化过程中同步完成氮掺杂，经过一步煅烧即可制备得到氮掺杂多孔碳材料，制得的氮掺杂多孔碳材料具有较高的比表面积和氮含量，具有优异的CO2吸附性能，对CO2的吸附量高。而传统活化剂如氢氧化钾、磷酸等，由于不含有氮元素，在活化后只能形成多孔结构，氮掺杂需要加入其他化合物作进一步处理才能够实现。
进一步地，相比于传统的分步骤煅烧制备氮掺杂多孔碳材料，本发明一步煅烧即可制备得到氮掺杂多孔碳材料，简化了制备方法，效率更高。相比于常规的化学活化剂如氢氧化钾，本发明的4-氨基苯甲酸钾安全无腐蚀性，对仪器设备友好。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料和氮掺杂多孔碳材料在吸附二氧化碳中的应用，本发明的氮掺杂多孔碳材料比表面积大(400～1600m2/g)，氮含量高(2～6wt％)，对二氧化碳的吸附量高，为2.42～4.38mmol/g。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为实施例一所制备氮掺杂多孔碳材料的扫描电镜照片；
图2为实施例一所制备氮掺杂多孔碳材料的透射电镜照片；
图3为实施例一～三所制备氮掺杂多孔碳材料中氮元素的XPS测试表征；
图4为实施例一～三所制备氮掺杂多孔碳材料的氮气吸-脱附测试结果；
图5为CO2吸附量测试结果。
具体实施方式
本发明提供了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，包括以下步骤：
将生物质材料进行碳化，得到碳源；
将所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液混合后依次进行干燥和在保护气氛下煅烧，得到所述氮掺杂多孔碳材料。
在本发明中，若无特殊说明，使用的材料和设备均为本领域市售商品。
本发明将生物质材料进行碳化，得到碳源。
在本发明中，所述生物质材料优选包括壳聚糖、纤维素、琼脂、木质素、淀粉、明胶、蔗糖和果糖中的一种或多种。
在本发明中，所述碳化优选包括水热碳化或高温碳化。
在本发明中，所述水热碳化的温度优选为160～220℃，更优选为180～210℃；时间优选为1～6h，更优选为5～6h。
在本发明中，所述水热碳化中水和生物质材料的用量比优选为100mL:5～20g，更优选为100mL:10g。
当所述碳化优选为水热碳化时，本发明优选还包括将所述水热碳化后得到的水热碳化料液依次进行第一过滤、第一洗涤和第一干燥，得到碳源。
本发明对所述第一过滤的方式没有特殊的要求，采用本领域技术人员常用的方式即可。
在本发明中，所述第一洗涤的试剂优选为水，所述水优选为蒸馏水；所述第一洗涤的次数优选为2～3次，更优选为3次。
在本发明中，所述第一干燥的温度优选为100～120℃，更优选为100～110℃，所述第一干燥的时间优选为4～6h，更优选为4h，所述第一干燥可以去除第一洗涤就得到的产物中的水分。
在本发明中，所述高温碳化的温度优选为400～600℃，更优选为500～550℃；时间优选为1～2h，更优选为1.5～2h；升温至所述高温碳化的温度的升温速率优选5～15℃/min，更优选为10℃/min。
在本发明中，所述高温碳化优选在保护气氛下进行，所述保护气氛优选为氮气或氩气；所述高温碳化优选在管式炉中进行；所述氮气或氩气通入管式炉的流速优选为60mL/min。
当所述碳化优选为高温碳化时，本发明优选还包括进行第一冷却得到所述碳源，所述第一冷却的方式优选为自然冷却，所述第一冷却后的温度优选为室温。
得到碳源后，本发明将所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液混合后依次进行干燥和在保护气氛下煅烧，得到所述氮掺杂多孔碳材料。
在本发明中，所述4-氨基苯甲酸钾水溶液中4-氨基苯甲酸钾与水的质量比优选为1:5～20，更优选为1:10～15。
在本发明中，所述碳源和4-氨基苯甲酸钾水溶液中的4-氨基苯甲酸钾的质量比优选为1:1～5，更优选为1:3～4。
本发明对所述4-氨基苯甲酸钾水溶液的配制方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的溶液的配制方法进行配制即可。
在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，更优选为25～30℃，在本发明的具体实施例中，如采用室温。
在本发明中，所述干燥的温度优选为100～120℃，更优选为100～110℃；时间优选为4～6h，更优选为5h。
在本发明中，所述煅烧的温度优选为600～900℃，更优选为700～800℃；所述煅烧的时间优选为1～2h，升温至所述煅烧的温度的升温速率优选为1～15℃/min，更优选为5～10℃/min。
本发明中，所述保护气氛优选为氮气或氩气；所述煅烧优选在管式炉中进行；所述煅烧时优选包括：将所述保护气氛持续通入管式炉中，所述保护气氛通入管式炉的流速优选为60mL/min。
在本发明中，所述煅烧后优选还包括将得到的煅烧产物依次进行洗涤和再干燥。
本发明优选将煅烧后的产物冷却后再进行洗涤，所述煅烧后的产物冷却的方式优选为自然冷却，所述自然冷却后的温度优选为室温。
本发明中，所述洗涤优选包括依次进行酸洗和水洗，所述酸洗的试剂优选包括强酸水溶液，所述强酸水溶液优选包括盐酸溶液；所述盐酸溶液的浓度优选为5～20wt％，更优选为10wt％。本发明对所述水洗的次数没有特殊的要求，所述水洗后得到的溶液的pH值优选为7.0。
在本发明中，所述再干燥的温度优选为100～120℃，更优选为100～110℃；时间优选为4～6h，更优选为5h。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为400～1600m2/g，氮含量为2～6wt％。
在本发明中，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积优选为1086～1547m2/g。
在本发明中，所述氮掺杂多孔碳材料的氮含量优选为2.83～5.65wt％。
本发明还提供了上述技术方案所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料作为CO2吸附剂的应用。
在本发明中，所述应用时的条件优选包括：温度25℃，压力1～1.1bar。
本发明的氮掺杂多孔碳材料对二氧化碳的吸附量为2.42～4.38mmol/g，吸附量高。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例一
将淀粉置于管式炉中，在氮气(60mL/min)保护下炉温以10℃/min升至550℃并高温碳化2h，再自然冷却至室温，得到碳源。
将1.0g 4-氨基苯甲酸钾溶解于15mL去离子水形成透明溶液，再加入1.0g碳源，室温条件下搅拌2h，形成的混合物在100℃干燥5h。将干燥后的混合物(碳源与4-氨基苯甲酸钾)置于管式炉中，并通氮气保护(60mL/min)，管式炉炉温以10℃/min速率由室温升温至600℃，并保持1h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到氮掺杂多孔碳材料。
实施例二
将5.0g蔗糖溶解于50mL水形成透明的溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理5h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h，得到碳源。
将1.0g 4-氨基苯甲酸钾溶解于15mL去离子水形成透明溶液，再加入1.0g碳源，室温条件下搅拌2h，形成的混合物在100℃干燥5h。将干燥后的混合物(碳源与4-氨基苯甲酸钾)置于管式炉中，并通氮气保护(60mL/min)，管式炉炉温以10℃/min速率由室温上升到700℃，并保持2h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸进行洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到氮掺杂多孔碳材料。
实施例三
将5.0g蔗糖溶解于50mL水形成透明的溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理5h。然后，将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h，得到碳源。
将3.0g 4-氨基苯甲酸钾溶解于15mL去离子水形成透明溶液，再加入1.0g碳源，室温条件下搅拌2h，形成的混合物在100℃干燥5h。将干燥后的混合物(碳源与4-氨基苯甲酸钾)置于管式炉中，并通氮气保护(60mL/min)，管式炉炉温以10℃/min速率由室温上升到800℃，并保持2h。待自然冷却后，产物使用10wt％盐酸进行洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到氮掺杂多孔碳材料。
图1为实施例一所制备氮掺杂多孔碳材料的扫描电镜照片，由淀粉作为起始材料所制备的氮掺杂多孔碳材料呈现出碎片状不规则形貌。
图2为实施例一所制备氮掺杂多孔碳材料的透射电镜照片，在材料中形成了大量微孔，证明4-氨基苯甲酸钾在高温下可对碳材料起到活化作用从而形成发达的多孔结构。
对实施例一～三所制备氮掺杂多孔碳材料中的氮元素进行XPS测试表征，测试结果如图3所示。表明经过4-氨基苯甲酸钾活化处理后，在碳材料中成功地实现了氮掺杂。实施例一～三制备所得氮掺杂多孔碳材料对应氮元素含量分别为5.65wt％、2.77wt％、2.83wt％。
对实施例一～三所制备氮掺杂多孔碳材料进行了氮气吸-脱附测试，测试方法为静态体积法吸附测试，测试结果见图4。从图4可知，经过4-氨基苯甲酸钾活化处理后，由不同生物质材料制备的多孔碳材料中都形成了发达的多孔结构，与图2中TEM照片显示的特征一致。实施例一～三制备得到的氮掺杂多孔碳材料比表面积分别为483m2/g、1086m2/g、1547m2/g。
分别对实施例一～三制备得到的氮掺杂多孔碳材料进行二氧化碳吸附特性测试，测试方法包括以下步骤：
1)取100mg的氮掺杂多孔碳材料加入测试样品室，加热至250℃真空脱气处理3h；
2)设定测试样品室所处环境温度，二氧化碳压力由真空状态逐步升高，测定每个平衡压力下的吸附量，直至平衡压力达到1.0bar，从而获得完整的二氧化碳吸附等温线；
3)二氧化碳吸附测试完成后，样品室加热至100℃真空处理，完成二氧化碳脱附。
CO2吸附量测试结果见图5，由图5可知，在25℃与1bar压力条件下，实施例一～三制得的氮掺杂多孔碳材料的CO2吸附量分别2.42mmol/g、3.53mmol/g、4.38mmol/g。随着煅烧温度的提高与4-氨基苯甲酸钾加入量增大，CO2吸附量逐步上升，其中实施例三中所制备氮掺杂多孔碳材料CO2吸附量为4.38mmol/g。以上测试结果表明，以生物质材料作为碳源，使用4-氨基苯甲酸钾作为活化剂和氮源，可以合成具有优异CO2吸附性能的氮掺杂多孔碳材料。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本发明实施例在不经创造性劳动前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。
Claims (2)
1.一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将5.0g蔗糖溶解于50mL水形成透明的溶液，置于100mL不锈钢水热反应釜，于200℃水热碳化处理5h；将得到的产物过滤，并用去离子水反复洗涤，最后在100℃干燥4h，得到碳源；
将1.0g 4-氨基苯甲酸钾溶解于15mL去离子水形成透明溶液，再加入1.0g碳源，室温条件下搅拌2h，形成的混合物在100℃干燥5h；将干燥后的混合物置于管式炉中，并通氮气保护，所述氮气的流速为60mL/min，管式炉炉温以10℃/min速率由室温上升到700℃，并保持2h；待自然冷却后，产物使用10wt%盐酸进行洗涤，再使用去离子水重复洗涤，在100℃干燥4h后，得到所述氮掺杂多孔碳材料；
所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为1086m2/g，氮含量为2.77wt%。
2.权利要求1所述的制备方法得到的氮掺杂多孔碳材料作为CO2吸附剂的应用。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| US2176441A (en) * | 1935-04-04 | 1939-10-17 | Ig Farbenindustrie Ag | Removal of gaseous weak acid from gases containing the same |
| JPH03161050A (ja) * | 1989-11-21 | 1991-07-11 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 吸着シートの製造方法 |
| CN110734049A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-01-31 | 江西省科学院应用化学研究所 | 一种以邻苯二甲酰亚胺钾制备高比表面积氮掺杂碳材料的方法 |
| CN111943199A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-17 | 江西省科学院应用化学研究所 | 一种以对苯二酚硫酸钾为活化剂制备硫氮共掺杂多孔碳材料的方法 |
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US2176441A (en) * | 1935-04-04 | 1939-10-17 | Ig Farbenindustrie Ag | Removal of gaseous weak acid from gases containing the same |
| JPH03161050A (ja) * | 1989-11-21 | 1991-07-11 | Toyota Central Res & Dev Lab Inc | 吸着シートの製造方法 |
| CN110734049A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-01-31 | 江西省科学院应用化学研究所 | 一种以邻苯二甲酰亚胺钾制备高比表面积氮掺杂碳材料的方法 |
| CN111943199A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-11-17 | 江西省科学院应用化学研究所 | 一种以对苯二酚硫酸钾为活化剂制备硫氮共掺杂多孔碳材料的方法 |
| CN112461807A (zh) * | 2020-11-26 | 2021-03-09 | 山西大学 | 碳量子点在靶向细胞核仁免洗成像中的应用 |
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