一种基于黄麻的含氮多孔碳的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于无机纳米材料领域，涉及利用黄麻织物制备具有高比面积的含氮多孔碳材料，特别是指一种基于黄麻的含氮多孔碳的制备方法及其应用。将黄麻织物洗涤干净，然后浸渍、负载活化剂草酸钾和含氮前驱体尿素，之后将其放在管式炉中，在惰性保护气氛中高温碳化制得含氮多孔碳。实验结果表明该材料具有高比表面积、良好的亲水性和稳定性，对低浓度阴离子型染料甲基橙的吸附容量可达755.18mg/g，性能优于商业化活性炭粉末及已报道的绝大多数生物质基含氮多孔碳。本发明专利技术制备方法简便，原料为可再生资源、成本低，生产效率也高，易于大规模工业化应用。

Preparation and application of nitrogen-containing porous carbon based on jute

【技术实现步骤摘要】
一种基于黄麻的含氮多孔碳的制备方法及其应用
本专利技术属于无机纳米材料领域，涉及利用黄麻织物制备具有高比面积的含氮多孔碳材料，特别是指一种基于黄麻的含氮多孔碳的制备方法及其应用。
技术介绍
多孔碳材料因具有比表面积高、孔隙结构清晰、热稳定性和化学稳定性好、电导率高、密度低等优点，而被广泛应用于污染物吸附、储能能量转换和电化学传感等方面。传统的多孔炭材料（如活性炭）通常采用热解或水热处理，然后经由化学或物理方法活化有机前驱体进行制备，成本相对较高。另外，纯碳材料存在疏水性强、给电子能力差等缺点，限制了它的使用范围，因此通常要对碳材料掺入其他杂原子进行改性。氮原子与碳原子在结构上非常相近，可以通过控制制备过程用氮原子取代碳原子。在多孔碳材料中引入氮原子，可以调节多孔碳材料的孔隙结构，改变材料的表面组成，提高材料的亲水性，增强材料的导电性能，极大地扩大了多孔碳材料的应用范围。基于可再生的生物质资源制备含氮多孔碳材料并将其应用于吸附、电池和超级电容器等领域引起了研究者们的广泛关注。生物质衍生的多孔碳不仅环保、成本低廉，而且易于制备。生物质是指可用于合成多孔碳材料并进行多种应用的植物、植物源、动物源、工业源、污水源或城市源废物衍生材料。目前，最常见的用于合成各种多孔碳材料的前驱体有樱桃核，咖啡壳，香蕉皮，杏仁壳，玉米棒，棉花秸秆，枣核，橄榄核，米糠，稻壳，稻草，甘蔗渣，锯末，茶叶废料，核桃壳、榴莲壳、草本残留物、杏渣、橙子皮、油棕纤维、椰壳等等（参见（AutaM,HameedBH.PreparationofwasteteaactivatedcarbonusingpotassiumacetateasanactivatingagentforadsorptionofAcidBlue25dye[J].ChemicalEngineeringJournal,2011,171(2):502-509.）；（González-DomínguezJM,Alexandre-FrancoM,Fernández-GonzálezC,etal.Activatedcarbonfromcherrystonesbychemicalactivation:Influenceoftheimpregnationmethodonporousstructure[J].JournalofWoodChemistryandTechnology,2017,37(2):148-162.）；（WongS,NgadiN,InuwaIM,etal.Recentadvancesinapplicationsofactivatedcarbonfrombiowasteforwastewatertreatment:ashortreview[J].JournalofCleanerProduction,2018,175:361-375.））。将生物质前驱体直接热解制备的多孔碳的孔结构有限，主要是微孔结构的多孔碳，很难获得多级孔结构。通过快速加热（~50℃/s）可获得具有一定微孔——介孔——大孔结构的分级孔结构。但其比表面积和孔结构仍较弱，常用物理或化学活化的方法来发展其孔结构。物理活化一般采用氧化性气体（如O2、CO2或水蒸气）（参见（SiyasukhA,ChimupalaY,TonanonN.Preparationofmagnetichierarchicalporouscarbonsphereswithgraphiticfeaturesforhighmethylorangeadsorptioncapacity[J].Carbon,2018,134:207-221.）），而化学活化多采用固体活化剂与生物质混合。一般而言，化学活化比物理活化更具有优势，如活化温度相对较低，活化时间较短，多孔碳孔隙结构发边、且具有较高的比表面积和孔容。缺点是活化后必须洗去活化剂。多孔碳的性质受活化剂的影响较大，活化剂的类型、活化剂的比例及活化条件都会影响其孔结构。常用的活化剂主要有ZnCl2、KOH/NaOH、KHCO3、H3PO4等（参见；（Nieto-DelgadoC,Partida-GutierrezD,Rangel-MendezJR.Preparationofactivatedcarbonclothsfromrenewablenaturalfabricsandtheirperformanceduringtheadsorptionofmodelorganicandinorganicpollutantsinwater[J].Journalofcleanerproduction,2019,213:650-658.）；（KhanJH,MarpaungF,YoungC,etal.Jute-derivedmicroporous/mesoporouscarbonwithultra-highsurfaceareausingachemicalactivationpr℃ess[J].MicroporousandMesoporousMaterials,2019,274:251-256.））。其中，ZnCl2主要发展介孔，活性较温和；KOH/NaOH活化温度低而被广泛使用，但样品腐蚀性较强，所得多孔碳产量较低。KHCO3受热分解可产生气体，更利于获得分级结构的多孔碳。H3PO4广泛用于木质纤维素生物质的活化，主要发展微孔与介孔，但适用生物质范围有限。因此，探索、开发高活性、高收率、低毒性、低成本的活化剂对制备生物质含氮多孔碳材料仍具有重要意义。另外，筛选新的价格低廉、来源广泛的生物质原料也是拓展生物质多孔碳材料并实现生物质资源化回收利用的有效方法。黄麻纤维具有产量高、来源广泛、价格低廉且纤维强度高等特点，十分适合于制备含氮多孔碳。
技术实现思路
本专利技术提出一种基于黄麻的含氮多孔碳的制备方法及其应用，解决了利用黄麻织物制备高比面积、高阴离子型染料吸附容量的含氮多孔碳的技术问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：一种基于黄麻的含氮多孔碳制备方法，步骤如下：（1）黄麻前处理：取黄麻布条用去离子水和乙醇浸泡洗涤后置于烘箱中干燥；（2）活化剂和含氮前驱体的负载：将经步骤（1）处理的黄麻布条浸渍于含有活化剂和含氮前驱体的溶液中，取出并置于烘箱中干燥，得负载黄麻布条；（3）高温碳化：将负载黄麻布条置于管式炉中，在保护气体下进行升温碳化，然后自然降至室温，得碳化样品；（4）洗涤干燥：碳化样品经稀盐酸浸泡后，用去离子水充分洗涤，最后，将其在烘箱中干燥，即得含氮多孔碳。所述步骤（2）中活化剂为草酸钾、含氮前驱体为尿素；草酸钾的物质的量浓度为0.1~2.5mol/L；浸渍时间为0.5~15h。所述黄麻布条与活化剂和含氮前驱体的质量比为1：（1.38~34.47）：（0~0.4）。所述步骤（3）中碳化温度为500-1000℃，碳化时间为1~3h，升温速率为3~10℃/min。所述保护气体为氮气、氩气或氦气中的一种或多种，流量为5~50mL/min。所述步骤（4）中稀盐酸的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于黄麻的含氮多孔碳制备方法，其特征在于，步骤如下：/n（1）黄麻前处理：取黄麻布条用去离子水和乙醇浸泡洗涤后置于烘箱中干燥；/n（2）活化剂和含氮前驱体的负载：将经步骤（1）处理的黄麻布条浸渍于含有活化剂和含氮前驱体的溶液中，取出并置于烘箱中干燥，得负载黄麻布条；/n（3）高温碳化：将负载黄麻布条置于管式炉中，在保护气体下进行升温碳化，然后自然降至室温，得碳化样品；/n（4）洗涤干燥：碳化样品经稀盐酸浸泡后，用去离子水充分洗涤，最后，将其在烘箱中干燥，即得含氮多孔碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于黄麻的含氮多孔碳制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）黄麻前处理：取黄麻布条用去离子水和乙醇浸泡洗涤后置于烘箱中干燥；
（2）活化剂和含氮前驱体的负载：将经步骤（1）处理的黄麻布条浸渍于含有活化剂和含氮前驱体的溶液中，取出并置于烘箱中干燥，得负载黄麻布条；
（3）高温碳化：将负载黄麻布条置于管式炉中，在保护气体下进行升温碳化，然后自然降至室温，得碳化样品；
（4）洗涤干燥：碳化样品经稀盐酸浸泡后，用去离子水充分洗涤，最后，将其在烘箱中干燥，即得含氮多孔碳。


2.根据权利要求1所述的基于黄麻的含氮多孔碳制备方法，其特征在于：所述步骤（2）中活化剂为草酸钾、含氮前驱体为尿素；草酸钾的物质的量浓度为0.1~2.5mol/L；浸渍时间为0.5~15h。


3.根据权利要求2所述的基于黄麻的含氮多孔碳制备方法，其特征在于：所述黄麻布条与活化剂和含氮前驱体的质量比为1：（1.38~34.47）：（0~0.4）。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳献阳，王少博，黄鑫，王明环，王艳芝，喻红芹，张晓晓，王田田，刘强飞，
申请(专利权)人：中原工学院，
类型：发明
国别省市：河南;41