一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法及应用，该方法以价格低廉的纤维素氨基甲酸酯为原料，尿素为氮源，与氢氧化钠溶液混合均匀、干燥后形成溶胶，后经高温煅烧后制备出高比表面积、大孔容、多孔结构的生物质基氮掺杂多孔碳。经电镜照片显示：制备的材料为三维内交联的孔道结构，XPS和元素分析表明：氮元素成功的掺杂到碳基体中，氮含量为7.7‑15.5%，比表面积为700‑3700 m

Method for preparing biomass based nitrogen doped porous carbon and application thereof

The invention discloses a biomass based nitrogen doped porous carbon preparation method and the application of this method to the low price of cellulose carbamate as raw material and urea as the nitrogen source and sodium hydroxide solution mixing, drying to form sol, after high temperature calcination was prepared based on biomass nitrogen doped porous carbon surface area, large pore volume and high ratio of porous structure. The electron microscope photographs show that the prepared material is a three-dimensional pore structure in the cross-linked, XPS and elemental analysis showed that the nitrogen doped carbon matrix successfully, nitrogen content is 7.7 15.5%, the surface area of 700 3700 M

【技术实现步骤摘要】
一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法及应用
本专利技术涉及一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法，属于纳米材料领域，涉及一种基于生物质原料的氮掺杂多孔碳材料的制备及用于电化学材料和染料吸附的应用。
技术介绍
多孔碳材料具有高的比表面积、孔隙率、可调控的孔径、优良的化学稳定性等特点，因此广泛应用于吸附、催化、分离、储能等领域。而氮掺杂多孔碳因氮原子的掺杂增加了费米能级的电子密度，同时降低了价带位置，提高了材料的氧化稳定性和导电性。改变了材料的表面结构、增加材料表面的碱性位，增强了其亲水性，从而扩大了多孔碳材料在环境治理、催化、储能、二氧化碳吸附等领域的应用。目前，已知公开的文献中关于氮掺杂多孔碳制备方法的报道，总结起来，其研究主要集中在1.原料的选择；2.制备工艺；3.产品的特征。制备氮掺杂多孔碳材料的原料主要有化石能源及其衍生物(如煤炭，沥青，酚醛树脂等)、可再生、生物质基材料(如纤维素，木质素，稻壳，果壳，动物毛发等)、富含碳氮材料(三聚氰胺、聚丙烯腈等)，氮源主要有尿素、三聚氰胺、双氰胺、多巴胺、氨气等富氮物质。碳、氮源选择不同，制备工艺也不同，产品得率、能耗也不相同，环保性、成本也有很大差异。氮掺杂多孔碳材料的制备工艺主要分为模版法(代表性的模版为二氧化硅，高温可降解性物质)；水热合成煅烧法；强酸、强碱、盐碳化、活化法；水蒸气、二氧化碳、氨气活化法。工艺的不同，制备成本有高有低，产品的性能也不一样。从产品特征上所制得的氮掺杂多孔碳材料可分为多孔(微孔、介孔、大孔)、高比表面积、高度石墨化、掺杂程度等性能，不同特征对应着不同的应用。如何从原料、制备工艺、产品性能、环保性着手，使产品性能优异，制备成本低廉成为各国研究者关注的焦点。中国专利(专利号：200810036884)公开了一种制备碳氮多孔材料的方法。它是以介孔二氧化硅为硬模版，乙二胺为前驱体，四氯化碳为溶剂，经过碳化、氢氟酸洗脱模版，二氧化碳高温碳化而得到氮掺杂多孔材料，并将该材料用于储氢。中国专利(专利号：200810036883)公开了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法。它是以介孔氧化硅为模版，乙二胺为前驱体，经煅烧，除模版，高温氢氧化钾活化得到氮掺杂多孔碳材料。中国专利(专利号：201610388898)公开了一种氮掺杂介孔碳纳米纤维的制备方法。该方法以明胶作为碳源，尿素作为氮源。它是将明胶和尿素溶于水中，反应后经干燥制备膜制品，煅烧后得到氮掺杂介孔碳纳米纤维，应用于制作电容器电极。中国专利(专利号：201610340621)提供了一种生物质基氮掺杂多孔碳材料的制备方法。它是将生物质材料(富含蛋白质的植物)干燥研磨成细粉后于活化剂在水中混合均匀，然后干燥后煅烧，将该材料应用于二氧化碳吸附。该制备方法中活化剂为K2CO3,Na2CO3,KHCO3,NaHCO3，为生物质基氮掺杂多孔碳的制备提供了一种思路。中国专利(专利号：201210048084)提供了一种以微生物为碳源制备氮掺杂多孔碳的方法。该材料是将微生物(细菌菌体或真菌菌体)与路易斯酸(氯化锌或氯化铝)混合经离子热反应后制备所得到的，所制备的材料具有良好的电催化氧还原能力和优异的电荷储存能力。中国专利(专利号：201410056572)公开了一种氮掺杂多孔碳纤维的制备方法。它是将碳源(有机酸或有机胺)和氮源(三聚氰胺和三聚氰酸)溶于水静置沉淀过滤后得到的物质煅烧后，即得到氮掺杂的多孔碳材料，该材料具有高的比表面积和较好的电化学性能。中国专利(专利号：201410245771)公开了一种氮掺杂多孔碳纳米管的制备方法。该方法采用化学氧化法制备的聚苯胺纳米管作为前驱体，高温煅烧后得到氮掺杂的多孔碳纳米管。该方法所采用的前驱体比较昂贵。中国专利(专利号：201410485157)公开了一种氮掺杂多孔碳纳米片复合材料的制备。它是以三聚氰胺和邻菲啰啉铁为前驱体，经煅烧，酸溶液除去铁化合物得到氮掺杂多孔碳纳米片复合材料。该方法制备的材料作为电催化剂具有较高的电催化效率，但后期还需要用酸将铁化合物除去，增加了制备成本。中国专利(专利号：201610388899)公开了一种氮掺杂多孔碳片层材料的制备方法。它是以明胶为碳源和氮源，SiO2为模版，经煅烧，NaOH除去模版后即得到该材料。中国专利(专利号：201410381132)公开了一种以动物毛发为前驱体制备氮掺杂多孔碳的方法。该方法直接煅烧动物毛发得到了氮掺杂多孔碳，并将该材料应用于超级电容器领域。中国专利(专利号：201410117836)公开了一种高含氮掺杂多孔碳材料制备的方法。它是以生物质(玉米芯、椰壳、竹叶或鱼骨)为原料，先将其煅烧后再在氨气气氛下进行高温氨化处理。中国专利(专利号：201310744536)公开了一种氮掺杂多孔碳包覆碳纳米管材料的制备方法。它是将碳纳米管先分散在水中，加入碳源进行水热反应后，然后与氮源在高温下热处理得到的材料。该材料制备方法中使用的碳纳米管比较昂贵，增加了成本。中国专利(专利号：201510137675)公开了一种氮掺杂多孔碳的制备方法。它是将生物质材料(纤维素、半纤维素、木质素、淀粉等)、小分子含氮物质和四硼酸钠混合经水热反应后煅烧得到的材料。该方法操作条件较为复杂。中国专利(专利号：201310445981)公开了一种氮掺杂多孔碳薄膜的制备方法。该方法采用磁控溅射技术，以富碳材料作为溅射靶材，氮气作为溅射气氛制备氮掺杂碳膜。中国专利(专利号：200810208051)公开了一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法。该方法是以微孔分子筛为模版，通过液相浸渍和化学沉积方法，在通过高温碳化和去除模版步骤得到的氮掺杂多孔碳。中国专利(专利号：201410191432)公开了一种氮掺杂多孔碳材料的制备。它是以含胺基的多孔聚合物为碳、氮源，高温煅烧而得到的材料。中国专利(专利号：201610132400)公开了一种以枣核为前驱体的氮掺杂多孔碳材料的制备方法。它将枣核置于通氨气的反应器中高温煅烧，后期经活化剂高温制孔而得到的氮掺杂多孔碳，并将该材料应用于超级电容器。文献(J.Mater.Chem.A,2016,4(19):7313-7321)报道了一种以离子液体为前驱体，石墨相氮化碳为模版制备氮掺杂多孔碳的方法，并用于亚甲基蓝的吸附，达到了962.1mg/g的吸附量。虽然该方法制备的氮掺杂多孔碳对亚甲基蓝的吸附容量大，但其原料使用的是离子液体，价格较为昂贵。文献(ACSAppl.Mater.Inter.,2016,8(18):11720-11728)报道了一种氮掺杂多孔碳的制备方法。它是以水溶性盐(氯化钠和硅酸钠)作为模版，葡萄糖作为碳源，尿素作为氮源，经冷冻干燥、煅烧，水洗除去模版后所得。该材料在锂离子电池和超级电容器上具有良好的性能。文献(J.PowerSources,2016,319:262-270)报道了一种三聚氰胺辅助化学发泡合成氮掺杂多孔碳的方法。它是以葡萄糖作为碳源，经由三聚氰胺化学发泡，KOH活化而制得。该材料具有微孔/介孔结构，高的比表面积(1997.5m2/g)和孔容(0.94cm3/g)，具有良好的电化学性能。文献(Nanoscale,2014,6(11):6075-6083)报道了一种氮掺杂多孔碳材本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：a、将氢氧化钠溶于水中搅拌溶解，加入尿素搅拌使其溶解，在温度5‑15℃下，加入纤维素氨基甲酸酯，机械剧烈搅拌10‑15 min，得到均匀的溶胶液，将溶胶液置于容器中，进行干燥，温度60‑80℃，干燥时间5‑10 h，得到溶胶，其中氢氧化钠、尿素和纤维素氨基甲酸酯的质量比为1:3‑5:1；b、在氮气保护下，将步骤a中干燥后的溶胶置于管式炉中煅烧，以温度5℃/min的升温速率升到550℃，保温1 h后，再升温至700‑900℃，保温1 h，得到黑色固体，再将黑色固体经水洗，10 wt%盐酸水洗至中性，温度120℃干燥4 h，即得到生物质基氮掺杂多孔碳。

【技术特征摘要】
1.一种生物质基氮掺杂多孔碳的制备方法，其特征在于按下列步骤进行：a、将氢氧化钠溶于水中搅拌溶解，加入尿素搅拌使其溶解，在温度5-15℃下，加入纤维素氨基甲酸酯，机械剧烈搅拌10-15min，得到均匀的溶胶液，将溶胶液置于容器中，进行干燥，温度60-80℃，干燥时间5-10h，得到溶胶，其中氢氧化钠、尿素和纤维素氨基甲酸酯的质量比为1:3-5:1；b、在氮气保护下，将步骤a中干燥后的溶...

【专利技术属性】
技术研发人员：张亚刚，周鑫，王朋磊，徐鲁，张乐涛，王璐璐，郅柯柯，张岚，姜莹芳，
申请(专利权)人：中国科学院新疆理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：新疆,65