具有高氮含量的氮掺杂碳材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料及其制备方法与应用，包括如下步骤：1）提供含氮海绵状前驱体；2）将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理即可得到具有高氮含量的氮掺杂碳材料。本发明专利技术所制备的具有高氮含量的氮掺杂碳材料具有比表面积高、孔容大、氮含量高等优点，从而使其具有非常优异的二氧化碳吸附性能，尤其在选择性吸附低浓度二氧化碳过程具有显著的应用潜力；同时，本发明专利技术所提供的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法具有简单、快速、高效等优点，从而使其具有重大的推广优势。

Nitrogen doped carbon material with high nitrogen content, preparation method and application thereof

The invention provides a nitrogen doped carbon materials with high nitrogen content and preparation method and application thereof, which comprises the following steps: 1) provide nitrogen sponge precursor; 2) the nitrogen sponge precursors were carbonized to obtain nitrogen doped carbon materials with high nitrogen content. The nitrogen doped carbon materials with high nitrogen content has the advantages of high surface area, large pore volume, high nitrogen content, so it has excellent adsorption properties of carbon dioxide, especially in the selective adsorption of low concentration of carbon dioxide has significant application potential; at the same time, preparation method of the invention the high nitrogen content of nitrogen doped carbon materials has the advantages of simple, fast and efficient, so it has great application advantages.

【技术实现步骤摘要】
具有高氮含量的氮掺杂碳材料及其制备方法与应用
本专利技术化工
，特别是涉及一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料及其制备方法与应用。
技术介绍
随着社会经济的快速发展，化石能源需求日益增加，而化石能源燃烧所排放的二氧化碳导致了全球气候变暖等一系列危害，温室效应越来越严重。二氧化碳作为温室气体中最主要的组成成分，其对温室效应的贡献率占首位，因此缓解温室气体带来的温室效应，其关键在于降低二氧化碳的排放，以缓解大气中二氧化碳的浓度。碳基吸附材料因比表面积高、孔道丰富、耐腐蚀、成本低、吸附性能好且稳定、易再生、吸附速率快等优点而备受国内外研究人员的研究青睐，并在常压下取得了较好的吸附效果(如论文Carbon,2013,56,77和ScientificReports,2013,3,2420)，但其在低压下的吸附效果并不理想(如专利CN104291333A和论文MaterialsChemistryandPhysics,2012,137,91))。为了提高碳基吸附材料的低压吸附性能，研究者多采用将杂原子氮掺杂进碳骨架以提高其表面极性和碱性位数量，进而提高碳基吸附材料的低压吸附性能(如论文J.Phys.Chem.C,2015,119,9302和Carbon,2008,46,1464以及Chem.Commun.,2014,50,329)。然而，尽管国内外研究人员对氮掺杂碳材料进行了大量的研究，但其在低压下的吸附性能仍然比较有限，其根本原因在于氮的掺杂量比较低。如果要提高氮的掺杂量，势必要引入更多地含氮前驱体，而含氮前驱体的引入则会导致材料比表面积剧降、孔容剧减等织构结构的恶性变化，反而不利于二氧化碳吸附量的提高。因此，如何在提高氮掺杂量的同时，仍保持碳基吸附材料丰富的孔道结构和比表面积，从而进一步的提高碳基吸附材料的低压吸附性能一直是研究人员的研究重点。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的是提供了一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料及其制备方法与应用，用于解决现有技术中由于氮掺杂量比较低而导致的无法氮掺杂碳材料在低压下吸附性能比较差的问题。为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：1)提供含氮海绵状前驱体；2)将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理即可得到具有高氮含量的氮掺杂碳材料。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤1)中，所述含氮海绵状前驱体为呈现三维网络互通结构的前驱体。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤1)中，所述含氮海绵状前驱体选自三聚氰胺海绵和/或聚氨酯海绵。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤2)中，在保护气体中将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，所述保护气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种，所述保护气体的气体流量为100mL/min～1000mL/min。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤2)中，将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理的温度为400℃～1000℃，碳化处理的时间为0.5h～8h。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤2)中，以1℃/min～10℃/min的升温速率自室温升温至碳化处理温度。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，步骤2)之后，还包括将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行活化处理的步骤。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，采用物理活化法、化学活化法或物理活化与化学活化相结合的方法将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行活化处理。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，使用的水蒸气、二氧化碳或空气中的至少一种活化气体将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行物理活化处理。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，活化气体的流量为50mL/min～1000mL/min，物理活化处理的温度为400℃～800℃，物理活化处理的时间为0.5h～6h。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，使用的氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、氯化锌、磷酸或重金属盐中的至少一种化学活化剂将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行化学活化处理。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，化学活化剂与步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的质量比为1:1～7:1，化学活化处理的温度为600℃～1000℃，化学活化处理的时间为1h～8h。作为本专利技术具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的一种优化的方案，将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行活化处理之后，还包括将活化处理得到的产物依次进行酸洗涤、水洗涤、过滤及干燥的步骤。本专利技术还提供一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料，所述具有高氮含量的氮掺杂碳材料由上述任一方案中所述的制备方法制备而得到。本专利技术再提供一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料的应用，所述具有高氮含量的氮掺杂碳材料用于低浓度二氧化碳的吸附。作为本专利技术的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的应用的一种优选方案，所述具有高氮含量的氮掺杂碳材料用于烟道气中低浓度二氧化碳的吸附。如上所述，本专利技术所制备的具有高氮含量的氮掺杂碳材料具有比表面积高、孔容大、氮含量高等优点，从而使其具有非常优异的二氧化碳吸附性能，尤其在选择性吸附低浓度二氧化碳过程具有显著的应用潜力；同时，本专利技术所提供的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法具有简单、快速、高效等优点，从而使其具有重大的推广优势。附图说明图1显示为本专利技术的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法的流程图。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置；所有压力值和范围都是指相对压力。此外应理解，本专利技术中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本专利技术中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本专利技术可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更
技术实现思路
的情况下，当亦视为本专利技术可实施的范畴。请参阅图1，本专利技术提供一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：1)提供含氮海绵状前驱体；2)将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理即可得到具有高氮含量的氮掺杂碳材料。请参阅图1中的S1步本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供含氮海绵状前驱体；2)将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理即可得到具有高氮含量的氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)提供含氮海绵状前驱体；2)将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理即可得到具有高氮含量的氮掺杂碳材料。2.根据权利要求1所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述含氮海绵状前驱体为呈现三维网络互通结构的前驱体。3.根据权利要求1所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述含氮海绵状前驱体选自三聚氰胺海绵和/或聚氨酯海绵。4.根据权利要求1所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，在保护气体中将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理。5.根据权利要求4所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：所述保护气体包括氮气、氩气或氦气中的至少一种，所述保护气体的气体流量为100mL/min～1000mL/min。6.根据权利要求1所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，将所述含氮海绵状前驱体进行碳化处理的温度为400℃～1000℃，碳化处理的时间为0.5h～8h。7.根据权利要求6所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，以1℃/min～10℃/min的升温速率自室温升温至碳化处理温度。8.根据权利要求1至7中任一项所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：步骤2)之后，还包括将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行活化处理的步骤。9.根据权利要求8所述的具有高氮含量的氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于：采用物理活化法、化学活化法或物理活化与化学活化相结合的方法将步骤2)得到的具有高氮含量的氮掺杂碳材料进行活化处理。10....

【专利技术属性】
技术研发人员：张中正，孙楠楠，赵红雨，张莉娜，魏伟，孙予罕，
申请(专利权)人：中国科学院上海高等研究院，
类型：发明
国别省市：上海,31