一种氮掺杂碳材料、其制备和应用制造技术

本发明专利技术属于碳材料领域，更具体地，涉及一种氮掺杂碳材料、其制备和应用。其以葡萄糖为原料，以三聚氰胺为氮源，先将葡萄糖在惰性气氛下煅烧至一定温度制备碳底物，再将烧制好的碳底物与三聚氰胺按一定比例混合于水溶液中，随后加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下再次低温煅烧，完成后即可得到氮掺杂碳材料，制备方法简单、能耗少且成本低，该氮掺杂碳材料表现出很高的反应活性，能够选择性降解多种有机污染物，由此解决现有技术的氮掺杂碳材料制备方法复杂、成本高，且对环境中有机污染物降解能力有限的技术问题。

A Nitrogen Doped Carbon Material, Its Preparation and Application

The invention belongs to the field of carbon materials, and more specifically relates to a nitrogen-doped carbon material, its preparation and application. With glucose as raw material and melamine as nitrogen source, the carbon substrates are prepared by calcining glucose in inert atmosphere to a certain temperature, then mixing the prepared carbon substrates with melamine in a certain proportion in aqueous solution, then heating and stirring, drying and calcining at low temperature again under inert atmosphere, then nitrogen-doped carbon materials can be obtained. The preparation method is simple and possible. The nitrogen-doped carbon material exhibits high reactivity and selective degradation of many organic pollutants, which solves the technical problems of complex preparation methods, high cost and limited degradation capacity of organic pollutants in the environment.

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂碳材料、其制备和应用
本专利技术属于碳材料领域，更具体地，涉及一种氮掺杂碳材料、其制备和应用。
技术介绍
碳材料是目前研究和应用最广泛的一类无机非金属材料，碳材料的性能主要取决于其原料，内部结构和表面活性。其中，表面活性被认为是最重要的影响因素。因此，碳材料的改性往往是通过对其进行活化或者表面功能化来改变其表面活性，从而影响整体性能和用途。2009年，LIMS和YOON.S.H的研究表明：传统的改性方法只是对碳材料表面进行处理，对其整体性能并无明显助益。相对于传统的改性方法，杂原子掺杂可显著改善材料的整体性能。常用作掺杂的元素有N、B、P、S、F、I等。目前氮原子掺杂已成为研究的热门方向。氮掺杂碳材料最早可追溯到1926年，Rideal等发现氮掺杂碳材料可催化草酸的氧化。N作为C同周期的相邻元素，原子半径与C相近，从理论上讲，将两者复合相对容易，因此N是杂原子中研究的最早也是最多的掺杂原子。两者原子半径相近，电子结构不同，使得N掺入可实现碳材料晶格不匹配程度最小化的同时改变电子结构。氮掺杂可提高碳材料的电导率，电容性以及催化氧化活性，因此氮掺杂的碳材料被广泛应用于催化，传感，电化学及储氢等领域，现已逐步扩展到环境领域，用于环境中有机污染物的降解。过硫酸盐(包括过一硫酸盐和过二硫酸盐)是一类常见的氧化剂，其在光，热，过渡金属等条件激发下可产生具有强氧化性的硫酸根自由基(SO4·-)以用于有机物的降解，除此之外，一些碳材料也可以活化过硫酸盐。近年来，应用氮原子掺杂的碳材料激发过硫酸盐成为研究的热点，目前研究较多的为氮掺杂碳纳米材料，这些氮掺杂碳纳米材料在制备时选用的原材料大多是石墨烯、碳纳米管等价格昂贵的纳米材料，并且制备方法较为复杂，对环境中有机污染物的降解能力有限，催化活性有待进一步提升。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种氮掺杂碳材料、其制备和应用，其以葡萄糖为原料，以三聚氰胺为氮源，先将葡萄糖在惰性气氛下煅烧至一定温度制备碳底物，再将烧制好的碳底物与三聚氰胺按一定比例混合于水溶液中，随后加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下再次低温煅烧，完成后即可得到氮掺杂碳材料，制备方法简单、能耗少且成本低，该氮掺杂碳材料表现出很高的反应活性，能够选择性降解多种有机污染物，由此解决现有技术的氮掺杂碳材料制备方法复杂、成本高，且对环境中有机污染物降解能力有限的技术问题。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将葡萄糖在惰性气氛条件下在700～1100℃煅烧，使其碳化，得到碳底物；(2)将步骤(1)获得的碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～3)混合于水溶液中，加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下在300℃～700℃煅烧，得到氮掺杂碳材料。优选地，步骤(1)煅烧时间为60～240min；煅烧温度为900～1100℃。优选地，步骤(2)所述碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～1)。优选地，步骤(2)煅烧温度为500℃～600℃。优选地，步骤(2)煅烧时间为60～240min。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的制备方法制备得到的氮掺杂碳材料，该氮掺杂碳材料中掺氮量为0.2％～4％。优选地，该氮掺杂碳材料中掺氮量为1％～4％。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种所述的氮掺杂碳材料的应用，用于有机污染物的降解。优选地，将所述的氮掺杂碳材料、氧化剂与含有有机污染物的有机废水混合，其中所述的氮掺杂碳材料作为催化剂，所述氧化剂为过一硫酸盐、过二硫酸盐或亚硫酸钠，所述氧化剂的浓度为0.1～2mM，所述催化剂的浓度为0.05g/L～2g/L。按照本专利技术的另一个方面，提供了一种用于降解废水中有机污染物的催化剂，包括所述的氮掺杂碳材料。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：(1)本专利技术在材料制备的过程中，通过先将葡萄糖碳化得到碳底物，然后与氮源三聚氰胺混合再次煅烧的方式成功实现氮掺杂，大大提高了碳材料的反应活性，提高了对污染物的去除效率，本专利技术制备得到的氮掺杂碳材料在5分钟对苯酚的降解效率达100％。本专利技术制备得到的氮掺杂碳材料在较少的氧化剂(PMS)用量，且低于其他现有的氮掺杂材料反应温度的条件下对苯酚的降解效果仍优于现有技术多种氮掺杂碳材料(包含金属和氮复合掺杂的碳材料)的有机物降解效果，本专利技术制得的氮掺杂碳材料拥有较高反应活性。(2)本专利技术在材料制备过程中不掺入贵金属，因此本专利技术中的氮掺杂碳材料制造成本低。另外本专利技术中的催化剂制备方法简单，耗时短，因此适用于实际生产和应用。(3)本专利技术以葡萄糖为原料，而非目前普遍使用的石墨烯，碳纳米管及其他价格昂贵的纳米材料，因此原料普遍存在且易于获得。(4)本专利技术中的材料具有较好的反应活性，氮掺杂后的碳材料(BCN)对污染物的降解途径由原先碳底物(BC)的自由基过程转变为由掺杂的氮物种主导的以电子转移为主的完全的非自由基过程。因此本专利技术中的氮掺杂碳材料基本不受pH和温度的影响，在从pH＝3至pH＝9这一涵盖了大多数废水的pH值的范围内都可达到较好的去除效果，在水处理和土壤修复等领域都有广阔的应用前景。(5)本专利技术所制备的氮掺杂碳材料性质稳定，安全无毒，无金属，因此可以广泛使用，同时该材料在常温下表现出较好的稳定性。(6)本专利技术中的材料对污染物具有一定的选择性，可以选择性降解多种有机污染物，尤其是给电子能力强的有机污染物。附图说明图1为实施例1碳底物和氮掺杂碳材料的红外图谱；图2为实施例1碳底物和氮掺杂碳材料的XRD图谱；图3为实施例1碳底物和氮掺杂碳材料的降解曲线图；图4为实施例1氮掺杂碳材料在不同pH下的降解曲线图；图5为实施例1氮掺杂碳材料的选择性降解曲线图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术提供了一种氮掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：(1)将葡萄糖在非含氧气氛条件下在700～1100℃，优选为950～1100℃，特别优选为1000℃下煅烧60～240min，优选为120～180min，特别优选为120min，使葡萄糖碳化(脱氧脱氢)，得到碳底物。(2)将步骤(1)获得的碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～3)，优选为1:(0.5～1)，特别优选为1:1，混合于水溶液中，加热搅拌，烘干后在非含氧气氛条件下在300℃～700℃，优选为500℃～600℃，特别优选为550℃；煅烧60min～240min，优选为120min～240min，特别优选为240min，得到氮掺杂碳材料。非含氧气氛比如氮气、氩气或其他惰性气体。本专利技术通过先将葡萄糖在氮气或惰性气体气氛条件下高温煅烧，使之在高温煅烧下碳化，得到碳底物；在此基础之上，然后将该碳底物与氮源三聚氰胺进行混合，进一步煅烧，获得氮掺杂碳材料。本专利技术选择的碳基底材料为葡萄糖，氮源为三聚氰胺，不可随意替换。两步煅烧条件也为特别精心控制，稍有不当，不能得到本专利技术氮掺杂的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将葡萄糖在惰性气氛条件下在700～1100℃煅烧，使其碳化，得到碳底物；(2)将步骤(1)获得的碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～3)混合于水溶液中，加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下在300℃～700℃煅烧，得到氮掺杂碳材料。

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将葡萄糖在惰性气氛条件下在700～1100℃煅烧，使其碳化，得到碳底物；(2)将步骤(1)获得的碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～3)混合于水溶液中，加热搅拌，烘干后在惰性气氛条件下在300℃～700℃煅烧，得到氮掺杂碳材料。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)煅烧时间为60～240min；煅烧温度为900～1100℃。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述碳底物与三聚氰胺按照质量比1:(0.5～1)。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)煅烧温度为500℃～600℃。5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)煅烧时...

【专利技术属性】
技术研发人员：张延荣，张玉，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42