一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法與流程

本發明屬于碳材料技術領域，涉及一種氮摻雜多孔碳的制備方法，具體來說是一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法。

背景技術：

多孔碳材料具有可控的孔隙結構和表面化學性質，被廣泛應用于催化、吸附分離、傳感、電化學等領域，通過改性、摻雜等方法可以進一步改善多孔碳材料的性能，提高其應用價值。其中氮是碳材料摻雜的理想元素，通過氮摻雜可以有效地改善碳材料的物理、化學等性質。

目前，用于含氮多孔碳材料合成的方法有很多，大致可以歸納為兩類：原位摻雜和后處理兩種。要得到高氮含量的多孔碳材料通常需用原位摻氮法，在硬模板法或軟模板法制備多孔碳過程中引入含氮前驅體。最常用的含氮前驅體包括胺基糖類、三聚氰胺、苯甲胺等。盡管通過原位摻氮的方法可以得到高氮含量的多孔碳，但也存在著很多的問題，比如：制備過程需要用到諸多有機化學試劑，價格相對昂貴；去除模板過程需要用到氫氟酸等強腐蝕劑，過程繁瑣復雜且環境不友好，因此這種方法不適用于工業應用。因此，如何簡單且有效地制備高氮含量的多孔碳材料是目前仍需努力解決的問題。

針對目前環境污染、能源緊缺的問題，合理的開發可再生資源，合成一些能性的能源與環保材料具有重要的意義。天然生物質材料的主要成分為天然有機高分子，是碳質材料的重要前驅體。關于碳材料的研究很多，但可控合成具有特定結構和性質的碳材料仍具有一定的挑戰。由于碳材料的前驅體和合成方法是影響碳材料性質的兩個重要因素，因此，對比研究不同體系下碳質材料的合成、性質，對碳質材料的開發與應用研究具有重要意義。

技術實現要素：

為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種制備方法簡單，便于大規模生產，高含量氮摻雜多孔碳材料的制備方法。

為了解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案。

一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，具體步驟如下：首先，將粉碎后的生物質原料與含氮聚合物按比例混合；然后，將混合后樣品在惰性氣氛下進行碳化后；最后，將碳化產物用活化劑進行活化，得到生物質基氮摻雜多孔碳材料；其中：生物質原料為荸薺。

本發明中，含氮聚合物為三聚氰胺。

本發明中，生物質原料與含氮聚合物的質量比為1:1～3～2，碳化溫度為495～505℃。

本發明中，活化劑為koh，碳化產物與活化劑的質量比為1：1-1：4。

本發明中，活化溫度為600-900℃，活化時間為1-3小時。

本發明中，所得到的生物質基氮摻雜多孔碳材料中的孔為微孔，其孔徑分布在0.4～6nm之間；材料的比表面積在1600～3500g/m²之間；氮含量在5～9wt％之間。

本發明同現有技術相比，具有以下有益效果：

1、本發明以天然生物質原料為碳源，含氮聚合物為氮源制備多孔碳材料，原料來源廣泛，成本低廉；通過高溫碳化活化的方法制備氮摻雜多孔碳材料，制備方法簡便。

2、本發明的方法制備出的氮摻雜多孔碳材料具有高的氮含量，高的比表面積，孔徑分布均一，呈現典型的微孔特征，在吸附、超級電容器、鋰離子電池等領域具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是實施例1得到氮摻雜多孔碳材料的吸脫附曲線圖。

圖2是實施例1得到氮摻雜多孔碳材料的孔徑分布圖。

圖3是實施例1得到氮摻雜多孔碳材料的sem圖。

圖4是實施例1得到氮摻雜多孔碳材料的tem圖。

具體實施方式

下面的實施例可以使本專業技術人員更全面地理解本發明，但不以任何形式限制本發明。

實施例1

一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質原料荸薺首先經過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質與三聚氰胺按質量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時間為2小時，自然冷卻后得到碳化產物，再與koh按1:3的質量比混合，然后將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化活化，溫度為800℃，時間為2小時，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為3400m²/g，孔徑集中分布在0.4-4nm，氮含量為7.4％。

如圖1～圖4所示，圖1是實施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的氮氣吸脫附曲線，可以看出此曲線為典型的ⅰ型等溫線，這說明材料呈現出典型的微孔特征，該材料的比表面積達到3400m²/g。圖2是實施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的孔徑分布曲線，從圖可以看出，該材料孔結構主要以微孔為主，孔徑主要分布在0.4-4nm之間。圖3是實施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的sem圖。圖4是實施例1得到的氮摻雜多孔碳材料的tem圖，從圖可以看出，該材料具有明顯的微孔結構。

實施例2

一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質原料荸薺首先經過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質與三聚氰胺按質量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時間為2小時，自然冷卻后得到碳化產物，再與koh按1:1的質量比例混合，然后將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化活化，溫度為600℃，時間為1小時，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為1621m²/g，孔徑集中分布在0.6-3nm，氮含量為9.2％。

實施例3

一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質原料荸薺首先經過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質與三聚氰胺按質量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時間為2小時，自然冷卻后得到碳化產物，再與koh按1:4的比例混合，然后將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化活化，溫度為900℃，時間為3小時，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為2730m²/g，孔徑集中分布在0.4-6nm，氮含量為5.3％。

實施例4

一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法，包括以下步驟：生物質原料荸薺首先經過干燥、粉碎；然后取干燥后的生物質與三聚氰胺按質量比1:1的比例混合，將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化，碳化溫度為500℃，時間為2小時，自然冷卻后得到碳化產物，再與koh按1:2的質量比例混合，然后將混合樣品在氮氣氣氛下進行高溫碳化活化，溫度為700℃，時間為2小時，得到高含量氮摻雜多孔碳材料。該氮摻雜多孔碳材料的比表面積為3100m²/g，孔徑集中分布在0.6-4nm，氮含量為8.1％。

技術特征：

技術總結
本發明公開了一種生物質基氮摻雜多孔碳材料的制備方法。該制備方法的具體步驟如下：首先，將生物質原料與含氮聚合物按比例混合；然后，在氮氣氣氛下進行高溫碳化；最后，將碳化產物和活化劑混合，進行高溫活化，得到氮摻雜多孔碳材料。和現有技術相比，本發明的有益效果在于：本發明制備方法簡單、環境友好、便于大規模生產；氮摻雜多孔碳材料具有高的氮含量，高的比表面積和均一的孔徑分布，在二氧化碳吸附和電化學領域具有良好的應用前景。

技術研發人員：韓生;韋煥明;陳靜;藺華林;付寧;陳海軍;韓治亞
受保護的技術使用者：上海應用技術大學
技術研發日：2017.05.25
技術公布日：2017.08.18