一种将二氧化碳还原为多孔碳材料的方法及多孔碳材料和应用技术

本发明专利技术属于金属热还原反应与石墨烯材料技术领域，具体公开了一种将二氧化碳还原为多孔碳材料的方法及多孔碳材料和应用。所述方法具体为：将含有镁的金属在含CO

A method of reducing carbon dioxide to porous carbon material and its application

【技术实现步骤摘要】
一种将二氧化碳还原为多孔碳材料的方法及多孔碳材料和应用
本专利技术属于金属热还原反应与石墨烯材料
，特别涉及一种将二氧化碳还原为多孔碳材料的方法及多孔碳材料和应用。
技术介绍
化石燃料燃烧仍然是全球发电的主要能量来源。这个过程产生了大量的二氧化碳，被认为是全球气候变化的主要因素，利用丰富而被浪费的二氧化碳作为原料气合成有价值的化学物质是十分必要的。光催化和氢化已经被证明可以有效地将二氧化碳转化为小的有机分子，例如甲酸和甲醇等。然而很少有研究关注于将二氧化碳还原为功能性碳质材料。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点与不足，本专利技术的首要目的在于提供一种将二氧化碳还原为多孔碳材料的方法。本专利技术另一目的在于提供上述方法制备得到的多孔碳材料。本专利技术再一目的在于提供上述多孔碳材料在电极材料中的应用。本专利技术的目的通过下述方案实现：一种将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，具体包括以下步骤：将含有镁的金属在含CO2的气氛下进行热处理；反应结束后，将所得产物在HCl溶液中搅拌；然后将所得混合物纯化，干燥后得到多孔碳材料。所述含有镁的金属为镁、锌和铜中的至少一种，且一定含有镁。优选地，所述其他金属与镁的摩尔比为0～10：1，不为0；更优选为1～6：1。所述含有CO2的气氛为CO2或CO2与N2的混合气体。所述含有CO2的气氛中各气氛的流速独立地为20-120SCCM；优选地，当含有CO2的气氛为CO2和N2的混合气体时，所述CO2与N2的流速比为1:1～5:1，优选为1:1～2:1。所述热处理为在500-1100℃下加热0.5h-12h；优选为在680℃下加热6h～12h。所述HCl的摩尔浓度为0.1M～3M，优选为2M。所述搅拌的时间为1～12h。所述纯化为先用水洗涤滤液至达到中性，再用有机溶剂对分离出的固体碳产品进行冲洗；优选地，所述有机溶剂优选为乙醇、丙酮和甲醇中的至少一种。一种由上述方法制备得到的多孔碳材料。上述多孔碳材料在在电极材料中的应用。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：(1)本专利技术是以镁等金属作为反应物，利用大气中丰富而被浪费的CO2来制备电极材料，具有成本低可实施性强的优势。(2)本专利技术由镁锌混合物制备的多孔碳材料比表面积大，能达到1800～2000m2/g；电导率高，为1000～1100S/m；电容保留率高和振实密度与活性炭相差无几，为0.60～0.65g/cm3，是制备高功率电化学电容器电极的理想材料。(3)本专利技术由镁铜混合物制备的多孔碳材料比表面积良好，结晶性能好，是制备微生物燃料电池电极的理想材料。(4)本专利技术由镁氮气混合物制备的多孔碳材料比表面积高，石墨化程度好，是制备锂空气电池电极的理想材料。附图说明图1为实施例2中C-MZ-n的结晶石墨结构；其中图1a为不同Zn/Mg摩尔比形成的C-MZ-n的XRD图谱；图1b为拉曼光谱；图1c为C-MZ-n的表面积作为Zn/Mg摩尔比的函数。图2为实施例2中C-MZ-3的TEM图像；其中图2a和图2b分别为C-MZ-3的低、高倍放大图像；图2c为C-MZ-3的SAED；图2d为C-MZ-3中氧化锌纳米颗粒的局部图。图3为实施例2中C-MZ-3的电化学表征；其中图3a为不同扫频下的CV曲线；图3b为在电流密度为5A/g和10A/g时记录的恒流充放电曲线；图3c为虚部为阻抗实部函数的复平面奈奎斯特图；图3d为比电容作为交流电流频率的函数。图4为实施例3中所得碳材料的电子显微镜(HRTEM)图像；其中(a)和(c)为c-ms；(b)和(d)为c-mg/Cu。图5为实施例3中所得碳材料的结构图；其中(a)为C-Mg和C-Mg/Cu的XRD图谱，(b)为C-Mg和C-Mg/Cu的拉曼光谱。(c)为C-Mg拉曼分峰，(d)为C-Mg/Cu拉曼分峰。图6为实施例3中所得碳材料的电化学性能；其中(a)为C-Mg和C-Mg/Cu阴极的LSV曲线；(b)为C-Mg和C-Mg/Cu阴极的单个电极极化曲线；(c)为c-mg和c-mg/Cu阴极的全电池极化曲线；(d)为C-Mg和C-Mg/Cu阴极的功率密度曲线。图7中(a)为每批配备C-Mg/Cu和C-Mg阴极的微生物燃料电池(MFC)的最大功率密度；(b)为C-Mg和C-Mg/Cu阴极的尼奎斯特图；(c)为对应的等效电路图。图8为实施例4中所得碳材料的结构图；其中(a)和(b)分别为GC和N-GC的SEM图像；(c)为x射线衍射图；(d)为拉曼光谱图。图9为实施例4所得碳材料的TEM图，其中(a)为N-GC明亮场TEM图像；(b)为高角度角暗场扫描TEM放大区域图像。(c)为(b)中框内的放大图像；(d)为显示碳(绿色)和氮(蓝色)分布的EDX图。图10为实施例4所得碳材料的孔径性能图，其中(a)为GC和N-GC的氮吸附等温线；(b)为气相色谱与吸附等温线对应的孔径分布。图11为实施例4所得碳材料的电化学性能；其中(a)和(b)分别为GC和N-GC的充放电电位分布图；(c)和(d)分别为气相色谱和N-GC阴极在容量控制循环下的循环寿命。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细的描述，但本专利技术的实施方式不限于此。实施例中所用试剂如无特殊说明均可从市场常规购得。实施例1致密多孔碳材料的制备：以纯镁为例，将15gMg粉末置于Al2O3器皿中，在平缓的CO2气流(流量为60Sccm)下，680℃的管式炉中加热6h。反应结束后，收集黑色产物，在2.0MHCl溶液中室温搅拌10h，除去MgO。然后将混合物过滤，用去离子水冲洗几次，直到滤液的pH值达到中性左右。最后，用乙醇对分离出的固体碳产品进行冲洗，在室温下干燥过夜。得到的产物称之为C-Ms。实施例2将纯镁换做镁与锌的混合物，重复实施例1操作过程，得到的产物称之为C-MZ-n，当Zn/Mg比值大于等于3时产物称之为C-MZ-3，测量分析结果如下：与C-Ms相比，C-MZ-n的比表面积确实显著增加，当Zn/Mg比值大于等于3时，为1900m2(图1c)。当纯Zn作为还原剂对CO2的还原时，虽然Zn被氧化为ZnO，单纯的目测反应后并没有形成炭黑。此外，与C-Ms相比，所有C-MZ-n的石墨晶体特征都明显减弱，这可以从拉曼光谱中分辨率较低的XRD峰和较高的ID/IG比值看出(图1a,图1b)。通过透射电镜(TEM)观察了C-MZ-n，C-MZ-3的纳米孔隙度。C-MZ-3由密集的小纳米孔组成，具有均匀的孔径分布(PSD)，如图2a所示。从放大后的图像(图2b)可以看出，弯曲的几层石墨烯纳米片构成了C-MZ-3的高度纳米孔结构，纳米线的跨度小于10层。这表示高比表面积和高石墨化纳米结构集成在一个碳材料。图2d为C-MZ-3中具本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，其特征在于具体包括以下步骤：/n将含有镁的金属在含CO

【技术特征摘要】
1.一种将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，其特征在于具体包括以下步骤：
将含有镁的金属在含CO2的气氛下进行热处理；反应结束后，将所得产物在HCl溶液中搅拌；然后将所得混合物纯化，干燥后得到多孔碳材料。


2.根据权利要求1所述的将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，其特征在于：所述含有镁的金属为镁、锌和铜中的至少一种，且一定含有镁。


3.根据权利要求2所述的将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，其特征在于：所述其他金属与镁的摩尔比为0～10：1，不为0。


4.根据权利要求1所述的将二氧化碳还原为多孔碳材料方法，其特征在于：所述含有CO2的气氛为CO2或CO2与N2的混合气体；
所述含有CO2的气氛中各气氛的流速独立地为20-120SCCM。


5.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢震宇，马雁龙，冯翔龙，李爱菊，钟华霞，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：发明
国别省市：广东;44