一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法技术

本发明专利技术涉及资源综合利用及电化学技术领域，具体涉及一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法。本发明专利技术用含氮交联剂与植物沥青混合进行两段加热交联处理后再进行碳化和活化，得到氮均匀掺杂活性炭材料。同时本发明专利技术还提高了活性炭的产率。本发明专利技术所得产物电容大于等于203.8F/g。本发明专利技术制备工艺简单、所得产物性能优良、经济价值高，便于大规模的工业化生产和应用。

A method of preparing nitrogen doped activated carbon from plant asphalt

【技术实现步骤摘要】
一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法
本专利技术涉及资源综合利用及电化学
，具体涉及一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法。
技术介绍
植物沥青是在各类植物油加工过程中产生的废料。因缺乏有效的增值利用方法，在多数相关厂家对该类废料都是通过直接燃烧的方式来进行处置，少量用于生产橡胶软化剂、沥青涂料及重质燃料等。当将该类材料用于热解制备活性炭时，由于其主要由含碳氢链的直链物质组成，软化点低，在热解过程中因裂解和挥发而造成的碳损失大，活性炭产率较低。活性炭是目前商品化超级电容器所用的主要电极材料之一，其制备过程中所采用的原料主要包括石油沥青、煤沥青、煤、木材、坚果壳、树脂等，这些原料在热解过程中的活性炭产率都较高。为了提高材料的电容性能，近年来对于超级电容器用活性炭材料的研究除采用不同原料的碳化和活化工艺来控制活性炭材料的孔径分布和比表面积外，通过向活性炭的碳骨架中引入杂原子来提高其电导率也倍受重视。为了制备掺杂氮的活性炭材料，国内外业者目前主要采用热解含氮的合成树脂或将碳材料在氨气氛中进行热处理来实现。在这些工艺中，前者要求合成具有一定聚合度的含氮树脂，成本比较高，而后者在热处理时主要发生气固两相反应，且活性炭中大量的碳原子不能与氨气反应，主要靠其边角处被部分氧化而产生的冠能团与氨气分子反应从而引入杂原子氮，使材料中的氮分布不均匀，从而影响其电子电导性能和电化学性能。因此寻求低成本，高性能的超级电容器用活性炭材料制备方法仍然很有必要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，包括以下步骤:步骤一将植物沥青与含氮交联剂进行混合；得到沥青混合物；在植物沥青软化温度区间或在植物沥青软化温度下，所述含氮交联剂溶于植物沥青中；步骤二对步骤一所得沥青混合物进行两段加热交联处理；使得植物沥青与含氮交联剂发生交联反应；所述两段加热交联处理中，第二段加热交联处理的温度大于第一段加热交联处理的温度；步骤三将步骤二所得交联处理后的沥青在惰性气氛中进行加热碳化处理；步骤四将步骤三所得碳化产物进行活化处理，得到所需氮掺杂活性炭材料。作为优选方案；本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，包括以下步骤:步骤A按设定的质量比将软化点为100～200℃的植物沥青与含氮交联剂进行混合；得到沥青混合物；步骤B将步骤A所得沥青混合物放入加热设备中进行两段加热交联处理；使得植物沥青与含氮交联剂发生交联反应；所述两段加热交联处理中，第一段加热交联处理的温度范围为100～200℃，第二段加热交联处理的温度范围为200～300℃；且第二段加热交联处理的温度大于第一段加热交联处理的温度；步骤C将步骤B所得交联处理后的沥青在惰性气氛中进行加热碳化处理；步骤D将步骤C所得碳化产物进行活化处理，得到所需氮掺杂活性炭材料。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤一或步骤A中，所述植物沥青和含氮交联剂的质量比为1:0.5～5，优选为1:1～4，更进一步优选为1:1～2。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤一或步骤A中，所述含氮交联剂为含有双酰胺基团的有机物，且其熔点范围为100～200℃。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤一或步骤A中，所述含氮交联剂为丙二酰胺、氨基甲酰脲、碳酰胺中的至少一种。优选为丙二酰胺或丙二酰胺与氨基甲酰脲、碳酰胺中的至少一种组成的混合物。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤二或步骤B中，所述两段加热交联处理的第一段加热交联处理的温度范围为100～200℃，优选为120～190℃；处理时间为0.5～5小时，优选为2～3小时。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤二或步骤B中，所述两段加热交联处理的第二段加热交联处理的温度范围为200～300℃，优选为225～275℃；处理时间为0.5～3小时，优选为0.5～2小时。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤二或步骤B中，所述两段加热交联处理的第一段加热交联处理在在含有氧气和氮气的混合气氛中进行，且混合气氛中氧浓度不超过25v％，优选为不超过15v％，更进一步优选为5％～10v％。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤二或步骤B中，所述两段加热交联处理的第二段加热较热交联处理在氮气或氩气气氛中进行，从处理成本考虑，优选为氮气气氛。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤二或步骤B中，在进行所述两段加热交联处理时，当第一段处理完成后可不必将原料冷却或取出直接进行第二段处理，也可在第一段处理完成并待原料冷却至室温后再进行第二段加热处理，或在第一段处理完成并待原料冷却至室温后取出研磨后再进行第二段加热处理，此处不做限制。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤三或步骤C中，在惰性气氛中进行加热碳化处理时，窑炉的温度范围为700～1000℃，且加热时间为1～5小时。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，步骤四或步骤D中，所述活化处理是将碳化产物在水蒸气或二氧化碳气氛中在800～1100℃的温度范围内热处理1～10小时；或将碳化所得产物与碱金属氢氧化物按质量比为1:1～5混合后在惰性气氛中800～1100℃的温度范围内热处理0.5～2小时。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，炭的产率大于等于49％。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，所制备的氮掺杂活性炭材料的在5A/g的充放电电流密度下比电容大于等于203.8F/g。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，所制备的氮掺杂活性炭材料的倍率性能好，相对于1A/g时的充放电比电容，在10A/g下的倍率保持率达到88.4％以上。本专利技术一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，所制备的氮掺杂活性炭材料的循环寿命远远大于比例中所得产物的寿命。原理和优势本专利技术提出采用含氮交联剂(尤其是含双酰胺基团的交联剂)与植物沥青(尤其是低软化点植物沥青)混合进行加热交联处理后再进行碳化和活化，以制备超级电容器用氮掺杂活性炭材料。与现有的制备工艺相比，本专利技术的技术思路和工艺原理具有显著的特点和技术优势；尤其是优化后方案，其技术优势更为明显；具体表现在：1)本专利技术将含双酰胺基团的交联剂与含有大量羧基、羟基及羰基的低熔点植物沥青共融，使交联剂或其转化产物与上述含氧基团发生缩聚反应，增大植物沥青分子量并改变其分子结构，减少了其在碳化过程中裂解和挥发所造成的损失，从而提高了活性炭的产率。2)本专利技术通过将熔点与植物沥青软化点相近的交联剂与植物本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，其特征在于；包括以下步骤:/n步骤一/n将植物沥青与含氮交联剂进行混合；得到沥青混合物；在植物沥青软化温度区间或在植物沥青软化温度下，所述含氮交联剂溶于植物沥青中；/n步骤二/n对步骤一所得沥青混合物进行两段加热交联处理；使得植物沥青与含氮交联剂发生交联反应；所述两段加热交联处理中，第二段加热交联处理的温度大于第一段加热交联处理的温度；/n步骤三/n将步骤二所得交联处理后的沥青在惰性气氛中进行加热碳化处理；/n步骤四/n将步骤三所得碳化产物进行活化处理，得到所需氮掺杂活性炭材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，其特征在于；包括以下步骤:
步骤一
将植物沥青与含氮交联剂进行混合；得到沥青混合物；在植物沥青软化温度区间或在植物沥青软化温度下，所述含氮交联剂溶于植物沥青中；
步骤二
对步骤一所得沥青混合物进行两段加热交联处理；使得植物沥青与含氮交联剂发生交联反应；所述两段加热交联处理中，第二段加热交联处理的温度大于第一段加热交联处理的温度；
步骤三
将步骤二所得交联处理后的沥青在惰性气氛中进行加热碳化处理；
步骤四
将步骤三所得碳化产物进行活化处理，得到所需氮掺杂活性炭材料。


2.根据权利要求1所述的以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，其特征在于；包括以下步骤:
步骤A
按设定的质量比将软化点为100～200℃的植物沥青与含氮交联剂进行混合；得到沥青混合物；
步骤B
将步骤A所得沥青混合物放入加热设备中进行两段加热交联处理；使得植物沥青与含氮交联剂发生交联反应；所述两段加热交联处理中，第一段加热交联处理的温度范围为100～200℃，第二段加热交联处理的温度范围为200～300℃；且第二段加热交联处理的温度大于第一段加热交联处理的温度；
步骤C
将步骤B所得交联处理后的沥青在惰性气氛中进行加热碳化处理；
步骤D
将步骤C所得碳化产物进行活化处理，得到所需氮掺杂活性炭材料。


3.根据权利要求1或2所述的以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，其特征在于：步骤一或步骤A中，所述植物沥青和含氮交联剂的质量比为1:0.5～5。


4.根据权利要求1或2所述的以植物沥青为原料制备氮掺杂活性炭材料的方法，其特征在于：步骤一或步骤A中，所述含氮交联剂为含有双酰胺基团的有机物，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈亚，关杰豪，曹利涛，甘辉，孔令坤，陈白珍，石西昌，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43