CN116119664A - 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法 - Google Patents

一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116119664A
CN116119664A CN202310394898.4A CN202310394898A CN116119664A CN 116119664 A CN116119664 A CN 116119664A CN 202310394898 A CN202310394898 A CN 202310394898A CN 116119664 A CN116119664 A CN 116119664A
Authority
CN
China
Prior art keywords
nitrogen
porous carbon
carbon material
doped porous
humins
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202310394898.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN116119664B (zh
Inventor
刘莉
侯务欣
王姝婕
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Inner Mongolia University
Original Assignee
Inner Mongolia University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Inner Mongolia University filed Critical Inner Mongolia University
Priority to CN202310394898.4A priority Critical patent/CN116119664B/zh
Publication of CN116119664A publication Critical patent/CN116119664A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116119664B publication Critical patent/CN116119664B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/336—Preparation characterised by gaseous activating agents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/30—Active carbon
    • C01B32/312—Preparation
    • C01B32/318—Preparation characterised by the starting materials
    • C01B32/324—Preparation characterised by the starting materials from waste materials, e.g. tyres or spent sulfite pulp liquor
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/13—Energy storage using capacitors

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法。本发明提供的制备方法，包括以下步骤：将含氮生物质、有机酸和水混合，进行水热反应，得到氮掺杂多孔碳材料。所述制备方法制备得到的氮掺杂多孔碳材料比表面积高，且制备条件温和。

Description

一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法
技术领域
本发明涉及碳材料技术领域，尤其涉及一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法。
背景技术
多孔碳材料因其具有比表面积高、孔体积大、化学惰性、水热稳定性好及机械强度高等特点，在气体吸附分离、多相催化、电化学储能等多个领域得到越来越广泛的应用。近期研究发现，在多孔碳材料的结构中引入氮原子可以极大地提高材料的物理化学性能，因此氮掺杂多孔碳材料引起了国内外的广泛关注。已经报道的氮掺杂多孔碳材料的制备方法中，通常需要在高温下加入额外的氮源，例如NH3、尿素、胺、吡咯和乙腈等。相比之下，如果能采用可持续的氮源作为原料，则避免了额外氮源的引入，合成工艺更加绿色。
现有技术中，Titirici等人（Zhao, L.; Baccile, N.; Gross, S.; Zhang, Y.;Wei, W.; Sun, Y.; Antonietti, M.; Titirici, M.-M. Sustainable nitrogen-dopedcarbonaceous materials from biomass derivatives. Carbon 2010, 48, 3778-3787.）报告了一种绿色可持续的方法，通过在180℃下对壳聚糖进行水热处理来合成氮掺杂多孔碳，但是BET比表面积非常低（10m2/g）。针对上述问题，高温活化和添加金属或模板可用于改善比表面积。例如，在800℃下通过壳聚糖的热碳化可以将比表面积增加到73m2/g，在800℃下通过添加尿素可以将比表面积增加到176m2/g（Zhang, Y.; Lu, L.; Zhang, S.; Lv,Z.; Yang, D.; Liu, J.; Chen, Y.; Tian, X.; Jin, H.; Song, W. Biomass chitosanderived cobalt/nitrogen doped carbon nanotubes for the electrocatalyticoxygen reduction reaction. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 5740-5745）。然而，这些技术往往昂贵、耗能高且复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，所述制备方法制备得到的氮掺杂多孔碳材料比表面积高，且制备条件温和。
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：
将含氮生物质、有机酸和水混合，进行水热反应，得到氮掺杂多孔碳材料。
优选的，所述含氮生物质包括壳聚糖、甲壳素、螃蟹壳和虾蟹中的一种或几种。
优选的，所述有机酸加热生成二氧化碳气体。
优选的，所述有机酸包括甲酸、乙二酸、丙二酸、己二酸和庚二酸中的一种或几种。
优选的，所述含氮生物质和催化剂的质量比为1:5~10:1。
优选的，所述含氮生物质和水的质量比为1：（10~100）。
优选的，所述水热反应的温度为150~220℃，保温时间为1~12h。
优选的，所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量为0~10wt%，且所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量不为0。
优选的，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为100~5000m2/g。
优选的，所述水热反应完成后，还包括活化；
所述活化的温度为500~950℃，时间为1~2h。
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：将含氮生物质、有机酸和水混合，进行水热反应，得到氮掺杂多孔碳材料。本发明在水热反应条件下，应用有机酸为催化剂及二氧化碳产生剂，合成得到乙酰丙酸、5-羟甲基糠醛等化学品，并通过在胡敏素结构中原位产生并释放二氧化碳等气体分子的方法合成出了一种胡敏素的氮掺杂多孔碳材料，无需外加氮源。通常，采用模板或添加金属可用于改善孔隙率，但这些技术往往昂贵、耗能高且复杂。相比之下，本发明所述的方法简单、廉价，避免了模板和金属的加入的同时，反应条件温和、过程简单，制备得到的氮掺杂多孔碳材料具有良好的比表面、孔隙孔容等物化特性，可应用于催化、气体吸附和电化学储能等领域。
附图说明
图1为实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的BET曲线；
图2为实施例2得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的BET曲线；
图3为实施例6得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的BET曲线；
图4为实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的TEM图；
图5为实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的XPS图。
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：
将含氮生物质、有机酸和水混合，进行水热反应，得到氮掺杂多孔碳材料。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料均为本领域技术人员熟知的市售产品。
在本发明中，所述含氮生物质优选包括壳聚糖、甲壳素、螃蟹壳和虾蟹中的一种或几种，当所述含氮生物质为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述有机酸加热生成二氧化碳气体；在本发明中，所述有机酸在加热的条件下发生脱羧反应生成二氧化碳气体。所述有机酸优选包括甲酸、乙二酸、丙二酸、己二酸和庚二酸中的一种或几种，当所述有机酸为上述具体选择中的两种以上时，本发明对上述具体物质的配比没有任何特殊的限定，按任意配比进行混合即可。
在本发明中，所述含氮生物质和催化剂的质量比优选为1:5~10:1，更优选为1:4.5~10:1，进一步优选为1:2~10:1，最优选为1:1.5~5:1。
在本发明中，所述含氮生物质和水的质量比优选为1：（10~100），更优选为1：（15~60），进一步优选为1：（20~50），最优选为1：（20~25）。
本发明对所述混合的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
在本发明中，所述水热反应的温度优选为150~220℃，更优选为160~200℃，最优选为170~190℃；保温时间优选为1~12h，更优选为4~10h，最优选为6~8h。
所述水热反应完成后，本发明还优选包括依次进行的固液分离和干燥；所述固液分离的方式优选为离心，本发明对所述离心和干燥的过程没有任何特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的过程进行即可。
所述干燥完成后，本发明还优选包括活化；所述活化的温度优选为500~950℃，更优选为550~800℃，最优选为650~800℃；时间优选为1~2h。
在本发明中，所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量优选为0~10wt%，且所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量不为0，更优选为2.5~8.0wt%，最优选为4~5wt%。
在本发明中，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积优选为100~5000m2/g，更优选为300~4500m2/g，最优选为450~3500m2/g。
下面结合实施例对本发明提供的氮掺杂多孔碳材料的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为103m2/g，氮掺杂量为4.7wt%。
实施例2
将0.25g壳聚糖、0.2968g丙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为369m2/g，氮掺杂量为4.9wt%。
实施例3
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，经过500℃活化1h，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为395m2/g，氮掺杂量为3.9wt%。
实施例4
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，经过750℃活化2h，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为1360m2/g，氮掺杂量为2.6wt%。
实施例5
将0.25g甲壳素、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为393m2/g，氮掺杂量为4.5wt%。
实施例6
将0.25g螃蟹壳、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为1280m2/g，氮掺杂量为3.9wt%。
实施例7
将0.25g壳聚糖、0.5936g乙二酸和4.7064g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为2572m2/g，氮掺杂量为4.3wt%。
实施例8
将0.15g壳聚糖、0.5936g乙二酸和4.7064g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为3068m2/g，氮掺杂量为4.1wt%。
实施例9
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，180℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为125m2/g，氮掺杂量为4.6wt%。
实施例10
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，200℃反应3h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为689m2/g，氮掺杂量为4.2wt%。
实施例11
将0.25g壳聚糖、0.2968g乙二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，160℃反应8h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为96m2/g，氮掺杂量为4.9wt%。
实施例12
将12g壳聚糖、14.2464g乙二酸和240.1536g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为872m2/g，氮掺杂量为4.1wt%。
实施例13
将0.25g壳聚糖、0.2968g己二酸和5.0032g水混合，加入到10mL容量的反应釜内，170℃反应5h后，依次进行离心和干燥后，得到胡敏素的氮掺杂多孔碳材料；
所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为512m2/g，氮掺杂量为6.2wt%。
测试例
将实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料进行BET测试，测试结果如图1所示，由图1可知，所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为103m2/g；
将实施例2得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料进行BET测试，测试结果如图2所示，由图2可知，所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为369m2/g；
将实施例6得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料进行BET测试，测试结果如图3所示，由图3可知，所述胡敏素的氮掺杂多孔碳材料的比表面积为1280m2/g；
将实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料进行TEM测试，测试结果如图4所示，由图4可知，所述胡敏素材料为多孔碳材料。
将实施例1得到的胡敏素的氮掺杂多孔碳材料进行XPS测试，测试结果如图5所示，由图5可知，多孔碳成功实现了氮掺杂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

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：
将含氮生物质、有机酸和水混合，进行水热反应，得到氮掺杂多孔碳材料。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含氮生物质包括壳聚糖、甲壳素、螃蟹壳和虾蟹中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述有机酸加热生成二氧化碳气体。
4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述有机酸包括甲酸、乙二酸、丙二酸、己二酸和庚二酸中的一种或几种。
5.如权利要求1~4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述含氮生物质和催化剂的质量比为1:5~10:1。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含氮生物质和水的质量比为1：（10~100）。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为150~220℃，保温时间为1~12h。
8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量为0~10wt%，且所述氮掺杂多孔碳材料中氮的掺杂量不为0。
9.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮掺杂多孔碳材料的比表面积为100~5000m2/g。
10.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述水热反应完成后，还包括活化；
所述活化的温度为500~950℃，时间为1~2h。
CN202310394898.4A 2023-04-14 2023-04-14 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法 Active CN116119664B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310394898.4A CN116119664B (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310394898.4A CN116119664B (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116119664A true CN116119664A (zh) 2023-05-16
CN116119664B CN116119664B (zh) 2023-08-18

Family

ID=86306608

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310394898.4A Active CN116119664B (zh) 2023-04-14 2023-04-14 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116119664B (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014097912A (ja) * 2012-11-14 2014-05-29 Asahi Kasei Chemicals Corp 窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極
CN104966824A (zh) * 2015-06-25 2015-10-07 湖北工程学院 一种基于壳聚糖及其衍生物氮掺杂多孔碳球-氧化钴纳米复合负极材料及其制备方法
CN106601490A (zh) * 2016-06-21 2017-04-26 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种生物质基含氮多孔碳的制备方法及由该方法制备的多孔碳及其用途
CN110280291A (zh) * 2019-07-09 2019-09-27 山东科技大学 以壳聚糖为氮源多步热解合成用于Knoevenagel反应的氮掺杂碳催化剂
CN112028188A (zh) * 2020-08-24 2020-12-04 盐城工学院 一种不对称电容脱盐器件用生物质碳基电极的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014097912A (ja) * 2012-11-14 2014-05-29 Asahi Kasei Chemicals Corp 窒素含有炭素材料、その製造方法及び燃料電池用電極
CN104966824A (zh) * 2015-06-25 2015-10-07 湖北工程学院 一种基于壳聚糖及其衍生物氮掺杂多孔碳球-氧化钴纳米复合负极材料及其制备方法
CN106601490A (zh) * 2016-06-21 2017-04-26 中国科学院青岛生物能源与过程研究所 一种生物质基含氮多孔碳的制备方法及由该方法制备的多孔碳及其用途
CN110280291A (zh) * 2019-07-09 2019-09-27 山东科技大学 以壳聚糖为氮源多步热解合成用于Knoevenagel反应的氮掺杂碳催化剂
CN112028188A (zh) * 2020-08-24 2020-12-04 盐城工学院 一种不对称电容脱盐器件用生物质碳基电极的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN116119664B (zh) 2023-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110813359B (zh) 一种以氮掺杂多孔碳材料为载体的钌基氨合成催化剂及其制备方法
CN109174155B (zh) 一种疏松多孔的二氧化硅包覆Co-N-C空心纳米管材料的制备方法及其应用
CN108686697B (zh) 一种藻酸盐基复合氮化碳光催化气凝胶材料及其制备方法与应用
CN103249482B (zh) 用于氢气生产的碳催化剂、制备催化剂的方法、和采用催化剂生产氢气的方法
CN109942814B (zh) 一种含吡啶基的共轭微孔聚合物及其制备方法和应用
KR20160110649A (ko) 질소와 금속이 도핑된 다공성 탄소 소재 및 그 제조방법
CN104624218B (zh) 铁和/或钴和/或镍金属氧还原反应催化剂的制备方法
KR101781412B1 (ko) 암모니아 탈수소용 촉매, 이의 제조 방법 및 이를 이용하여 암모니아로부터 수소를 생산하는 방법
CN109603831A (zh) 一种钴和石墨烯复合纳米材料催化剂及其制备方法
CN109821540A (zh) Mof衍生碳载非贵金属合金催化剂的制备方法及催化产氢应用
CN113198506A (zh) 一种负载单原子铁的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备方法和应用
CN115350706B (zh) 一种co2加氢热催化的三元金属mof衍生催化剂制备方法
CN113772656B (zh) 一种金属盐辅助制备多孔碳材料的方法及其应用
CN116119664B (zh) 一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法
Sharifzadeh et al. Construction of hierarchically chiral metal–organic frameworks for fast and mild asymmetric catalysis
CN113649045B (zh) 一种以Ni-MOF为前驱体的改性氮化钛纳米管及其制备方法和应用
CN113231076B (zh) 钯铜催化剂及其制备方法、应用
CN112723341B (zh) 一种双原子掺杂碳纳米管及其制备方法和应用
CN108017047B (zh) 一种类红毛丹型氮杂中空介孔碳球纳米材料及其制备方法
Teh et al. ZnCl2/NaCl-catalysed hydrothermal carbonization of glucose and oil palm shell fiber
KR101475621B1 (ko) 텅스텐 카바이드 촉매의 제조방법
CN104069885A (zh) 一种Fe-CNx纳米复合催化剂、制备方法及其应用
CN111533121B (zh) 一种高比表面积多孔石墨空心半球的制备方法
JP2016160251A (ja) カルシウム塩の製造方法及び炭素多孔体の製造方法
CN102140030A (zh) 无需烧结制备高气孔率纳米晶碳化硅泡沫陶瓷的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant