一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法，包括以下步骤，先将生物质粉碎为微小颗粒，然后将粉碎后的生物质颗粒与含硼酸性水溶液按一定比例混合均匀形成混合物，并将混合物放入水热反应釜中进行水热反应；将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；将干燥后的水热碳放入热解炉中，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的生物质源高比表面积硼掺杂多孔碳材料；本发明专利技术使用的原料来源广泛，工艺简单，绿色，对设备要求较低，生产过程耗时短，效率高，适合工业上的大规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法
本专利技术属于硼掺杂碳材料制备领域，尤其是生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料领域。
技术介绍
生物质在自然界中分布广泛且储量巨大，是唯一一种可以替代石油衍生燃料和化学品的碳中性能源。中国每年生产大约亿吨级的废弃生物质(农作物秸秆、木屑、杂草、微藻、动物废物等)，这些废弃生物质蕴藏的能源相当于亿吨级的标准煤，是一个巨大的资源宝库。生物质可通过水热或热解等技术转化为含有大量芳环结构的固体物质，即生物炭，其在环境与化工领域具有非常广阔的应用前景；近年来，对于碳材料的应用日益增多，但是纯碳材料在结构和性能上仍然不尽人意。因此，对碳材料进行杂原子掺杂所得的杂原子改性碳由于具有独特的物理和化学性质，越来越受到人们的关注。生物炭掺杂杂原子可以大大提高其反应活性，是催化、吸附和储能领域的优秀材料，目前常见的掺杂杂原子有B、N、P、S等；硼原子相比于碳原子，只少一个电子，在微观尺度上很接近，硼掺杂碳骨架结构后，改变了碳材料的电子结构，同时碳材料的石墨晶格畸变比较小，可以有效提高碳材料的石墨化程度和抗氧化能力。但是，目前报道的硼掺杂碳材料的制备方法，存在工艺复杂，硼原子掺入较为困难，获得的碳材料比表面积低而且孔隙结构以微孔为主，不利于吸附和传质等缺点；例如CN201910994262.7介绍了一种利用硼掺杂介孔碳去除水体中重金属的方法，该方法利用模板法制备高比表面积硼掺杂介孔碳：将硼酸、蔗糖、浓硫酸与水按比例混合为多元溶液A，将其渗透到介孔硅模板中，固化，得到复合物A；再将硼酸、蔗糖、浓硫酸与水按比例混合为多元溶液B，将复合物A浸渍到多元溶液B中，固化，得到复合物B；最后将复合物B进行热处理，去除模板，得到硼掺杂介孔碳；该方法制备的碳材料含有硼官能基团，但是，上述方法所用模板法，步骤繁多，工艺复杂，耗时极长，能耗较大，而且所用碳源为蔗糖，成本较高，不利于工业上大规模生产；再例如CN201911344836.2公开了一种利用木质素制备硼掺杂碳纳米球的方法及产品：将木质素和硼系添加剂按照预设的质量比溶解于水中，以制备获得混合溶液；对所述混合溶液执行超声处理；对所述木质素溶液执行干燥及研磨处理，获得木质素粉末；对所述木质素粉末执行热解处理，冷却后制备获得所述硼掺杂碳纳米球；虽然该方法工艺简单，但是碳源为木质素，对木质素粉末的要求较高，不利于推广，且制备的硼掺杂碳材料存在比表面积小，硼原子掺入效率低等问题。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术通过以下技术方案来实现上述目的：一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法，包括以下步骤：步骤一、将生物质粉碎为细小颗粒；步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与含硼酸性水溶液按一定比例混合均匀形成混合物，并将混合物放入水热反应釜中进行水热反应，生成水热碳；步骤三、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；步骤四、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的固体产物，该固体产物为生物质源高比表面积硼掺杂多孔碳材料。作为本专利技术的进一步优化方案，所述生物质为木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纤维二糖、纤维素、淀粉、半纤维素、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸杆、油菜籽饼、小桐子饼、饼粕、酒糟、废弃蛋白、微藻、塑料废料、再生塑料、农业和城市有机固体废物、食品废物、动物废物、碳水化合物、木质纤维材料中的任一种或两种以上的组合。作为本专利技术的进一步优化方案，所述步骤二中的含硼酸性水溶液为硼酸水溶液、硼酸盐和其他酸构成的水溶液、硼酸盐和硼酸构成的水溶液、硼化物和硼酸构成的水溶液、硼化物和其他酸构成的水溶液中的任意一种。作为本专利技术的进一步优化方案，所述硼酸盐包括硼酸钠、硼酸钾、硼酸钙、硼酸铵、偏硼酸钠、偏硼酸钾、偏硼酸钙，所述硼化物包括氧化硼。作为本专利技术的进一步优化方案，所述其他酸为无机酸、有机酸、酸性盐中的任意一种，所述无机酸包括盐酸、硫酸、磷酸、硝酸，所述有机酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、草酸，所述酸性盐包括磷酸二氢铵、磷酸二氢钠、磷酸二氢钾、硫酸氢钠、硫酸氢钾、硫酸氢铵。作为本专利技术的进一步优化方案，所述步骤二中生物质颗粒与含硼酸性水溶液的硼碳质量比为1:50-1:1。作为本专利技术的进一步优化方案，所述步骤二中的水热反应温度控制在80℃～300℃，作为本专利技术的进一步优化方案，所述步骤二中的水热反应温度优选为150℃-250℃。作为本专利技术的进一步优化方案，所述水热时间为0.5-24h。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤四中热解炉的温度为350℃-900℃，所述快速热解的时间为5min-2h。本专利技术的有益效果在于：1)本专利技术的制备方法方法所使用的生物质原料为农林废弃物，来源广泛、可再生；2)该方法工艺简单，耗时少，适用于工业上的大规模生产；3)本专利技术所使用的含硼酸性水溶液不仅起到硼原子掺杂的作用，而且能够作为活化剂，起到造孔的作用，制备的碳材料具有比表面积大、介孔率高和硼原子掺杂率高等优点。附图说明图1是本专利技术中掺硼碳材料XPS图；图2是本专利技术中掺硼碳材料TEM图；图3是本专利技术中掺硼碳材料等温吸附曲线；图4是本专利技术中掺硼碳材料氮气吸脱附检测报告；图5是本专利技术的制备方法的步骤流程图；具体实施方式下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。如图1至图5所示一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法，包括以下步骤：步骤一、将生物质粉碎为细小颗粒；其中，这里的生物质为木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纤维二糖、纤维素、淀粉、半纤维素、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸杆、油菜籽饼、小桐子饼、饼粕、酒糟、废弃蛋白、微藻、塑料废料、再生塑料、农业和城市有机固体废物、食品废物、动物废物、碳水化合物、木质纤维材料中的任一种或两种以上的组合；步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与含硼酸性水溶液按照硼/碳质量比为1:50-1:1进行混合，混合均匀形成混合物，并将混合物放入水热反应釜中进行水热反应，水热时间为0.5-24h；并将水热反应釜内的水热反应温度控制在80℃～300℃，优选为150℃-250℃；其中，含硼酸性水溶液指的是硼酸水溶液、硼酸盐和其他酸构成的水溶液、硼酸盐和硼酸构成的水溶液、硼化物和硼酸构成的水溶液、硼化物和其他酸构成的水溶液中的任意一种；硼酸盐包括硼酸钠、硼酸钾、硼酸钙、硼酸铵、偏硼酸钠、偏硼酸钾、偏硼酸钙，所述硼化物包括氧化硼；其他酸为无机酸、有机酸、酸性盐中的任意一种，其中，无机酸包括盐酸、硫酸、磷酸、硝酸，有机酸包括甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、柠檬酸、草酸，酸性盐包括磷酸二氢铵、磷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法,其特征在于：包括以下步骤：/n步骤一、将生物质粉碎为微小颗粒；/n步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与含硼酸性溶液按比例混合均匀形成混合物，并将混合物进行水热反应，生成水热碳；/n步骤三、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；/n步骤四、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的固体产物，该固体产物为生物质源高比表面积硼掺杂多孔碳材料。/n

【技术特征摘要】
1.一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法,其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、将生物质粉碎为微小颗粒；
步骤二、将粉碎后的生物质颗粒与含硼酸性溶液按比例混合均匀形成混合物，并将混合物进行水热反应，生成水热碳；
步骤三、将水热反应后得到的水热碳进行脱水、干燥；
步骤四、将干燥后的水热碳放入热解炉中，在惰性气氛保护下进行快速热解，并得到快速热解后的固体产物，该固体产物为生物质源高比表面积硼掺杂多孔碳材料。


2.根据权利要求1所述的一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法,其特征在于：所述生物质为木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纤维二糖、纤维素、淀粉、半纤维素、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸杆、油菜籽饼、小桐子饼、饼粕、酒糟、废弃蛋白、微藻、塑料废料、再生塑料、农业和城市有机固体废物、食品废物、动物废物、碳水化合物、木质纤维材料中的任一种或两种以上的组合。


3.根据权利要求1所述的一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法,其特征在于：所述步骤二中的含硼酸性水溶液为硼酸水溶液、硼酸盐和其他酸构成的水溶液、硼酸盐和硼酸构成的水溶液、硼化物和硼酸构成的水溶液、硼化物和其他酸构成的水溶液中的任意一种。


4.根据权利要求3所述的一种生物质制备高比表面积硼掺杂多孔碳材料的方法，其特征在于：所述硼酸盐包...

【专利技术属性】
技术研发人员：马培勇，周祥，张颖，刘小好，王子琦，祁风雷，邢献军，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34