一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料及其制备方法，所述制备方法包括如下步骤：脱脂棉、供氮源、供硼源和水混合并煅烧，得到碳纤维基底，所述碳纤维基底浸于钯溶液，吸附平衡后干燥并退火，得到所述B、N共掺杂碳纤维基催化材料，所述制备方法的步骤简洁，以廉价易得的脱脂棉作为碳前驱体，又引入B、N元素，提高了甲醛吸附量，而且能够将碳纤维基表面吸附态的甲醛催化氧化为无毒无害的CO2和H2O，实现了低成本快速消除环境中甲醛污染物的目的。现了低成本快速消除环境中甲醛污染物的目的。现了低成本快速消除环境中甲醛污染物的目的。

【技术实现步骤摘要】
一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于碳材料
，尤其涉及一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]生物炭以其原料来源广泛、合成方法简单兼具环保等优点而被研究人员广泛应用于各种领域，同时也是废弃生物质资源变废为宝的一种重要方式。然而，不加改性的原始生物炭在相关催化领域中的表现却不尽人意，其自身具有的高比表面积和导电性，以及良好的稳定性没有得到充分体现。
[0003]CN113083228A公开了一种碳掺杂海泡石复合多孔吸附材料及其制备方法，包括：(1)以海泡石为载体，葡萄糖为碳源，尿素为氮源，硼酸为硼源，合成得到海泡石和碳掺杂氮化硼的前驱体复合材料：(2)将前驱体复合材料在氮气保护气氛下，高温热裂解，得到海泡石负载碳掺杂多孔氮化硼复合吸附材料：(3)将无机黏土矿物粉体进行有机胺改性，得到胺官能团化的无机黏土矿物粘结剂：(4)将无机黏土矿物粘结剂掺杂到海泡石负载碳掺杂多孔氮化硼复合吸附材料中，经造粒过筛后，得到碳掺杂海泡石复合多孔吸附材料，还公开了碳掺杂海泡石复合多孔吸附材料作为甲醛吸附剂的应用。该吸附材料对甲醛具有较高的吸附量和吸附速率，但是不具备催化氧化的能力。
[0004]CN108199055A公开了一种硼氮共掺杂的碳载铂催化剂及其制备方法，该催化剂的制备步骤如下：将含氮前驱体和含硼前驱体溶解于溶剂中形成混合溶液；将载体浸渍于前述混合溶液中静置；蒸干溶剂得到吸附有含氮前驱体和含硼前驱体的载体，然后将吸附有含氮前驱体和含硼前驱体的载体在惰性气体保护下高温煅烧，得到硼氮共掺杂的载体；将硼氮共掺杂的载体用异丙醇分散成悬浮液，加入氯铂酸，搅拌混合均匀，蒸干溶剂；将去除溶剂后的产物进行还原反应，得到硼氮共掺杂的碳载铂催化剂。采用该方法制得的催化剂具有较好的活性和稳定性，但是以化学药剂作为碳源，成本昂贵，该碳源前驱体材料改性后也不具备优良的比表面积和孔径分布。
[0005]CN109941995A公开了一种用于电催化还原氧气的异质原子掺杂生物质碳材料的制备及应用。包括以下步骤：(1)预处理：将芝麻叶、银耳及马齿苋清洗、烘干后进行粉碎，(2)碳化：将上述生物质粉末进行煅烧处理后用HCl溶液清洗并过滤，干燥后即得碳化生物质粉末，(3)氢氧化钾活化：将上述碳化生物质粉末与氢氧化钾混合干燥后进行煅烧处理，采用HCl溶液清洗并过滤，烘干后即得活化处理后的生物质碳材料，(4)异质原子掺杂：将上述得到的活化后生物质碳材料分别与聚苯胺、硼酸研磨混合均匀后进行煅烧，即得氮掺杂和硼掺杂的生物质碳材料。该制备方法的优点是使用了生物质材料作为碳源，成本低廉、导电性能好且比表面积大，但是该材料主要用于氧气的催化还原，对于甲醛的催化氧化不具备优势。
[0006]因此需要开发更高效的净化甲醛技术。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的碳源成本较高、甲醛降解效果不佳等问题，本专利技术提出了一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料及其制备方法，利用成本低廉、易得的脱脂棉为碳源，掺杂供氮源和供硼源制得高甲醛吸附量的碳纤维基底材料，再利用退火在所述碳纤维基底上负载Pd催化中心，所述Pd催化中心将基底捕获到的甲醛催化氧化为二氧化碳和水，实现了低成本快速消除环境中甲醛污染物的目的。
[0008]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]第一方面，本专利技术提供了一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
[0010]脱脂棉、供氮源、供硼源和水混合并煅烧，得到碳纤维基底，所述碳纤维基底浸于钯溶液，吸附平衡后干燥并退火，得到所述B、N共掺杂碳纤维基催化材料。
[0011]本专利技术中，首先利用高温煅烧法构建催化剂主体结构B、N共掺杂碳纤维，然后利用氢气还原技术构筑催化剂客体结构Pd催化中心，最终形成B、N共掺杂碳纤维基催化材料。
[0012]其中，使用脱脂棉不仅因为廉价易得、均质性好，更是因为其中的棉纤维相互缠绕的性质获得类似气凝胶多孔碳材料，对于含硼、氮元素的溶液有很好的吸附性，并且采用脱脂棉表面含有的极性官能团与极性分子供氮源、供硼源吸附结合的原理，为缺电子硼原子和富电子氮原子引入到多孔碳纤维表面提供理论依据；另外，如果仅仅只是将室内甲醛污染物吸附在基质表面，甲醛很容易挥发产生二次污染，因此，利用吸附结合催化氧化的步骤，将吸附在基质表面的吸附态甲醛转变为无毒无害的CO2和H2O，会使得污染去除更加彻底，Pd元素对挥发性有机化合物具有优异的催化转化效果，也因此常常被用来降解气体污染，使用热退火还原的方法，在B、N共掺杂多孔碳纤维表面均匀地负载催化剂客体Pd纳米颗粒，最终获得吸附性能和催化氧化性能优异的B、N共掺杂碳纤维基催化材料。
[0013]作为本专利技术的一种优选的技术方案，供氮源、供硼源和水先混合为溶液，再与脱脂棉混合，直至所述脱脂棉对溶液吸附平衡。
[0014]优选地，脱脂棉、供氮源和供硼源的质量比为(0.5
‑
10):(0.01
‑
5):(0.01
‑
5)，优选为(0.5
‑
10):(0.25
‑
2.5):(0.1
‑
1)，例如可以是0.5:0.01:0.01、0.5:0.1:0.1、0.5:0.5:0.1、0.5:0.5:0.5、0.5:1:0.5、0.5:1:1、0.5:2.5:1、1:2.5:1、2:2.5:1、2.5:2.5:1、3:2.5:1、5:2.5:1、5:5:2、10:2.5:1或10:5:1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0015]优选地，所述混合中，脱脂棉的质量和水的体积比为(0.5
‑
10)g:(10
‑
200)mL，优选为(0.5
‑
10)g:(20
‑
60)mL，例如可以是0.5g:20mL、0.5g:25mL、0.5g:30mL、0.5g:50mL、1g:60mL、2g:20mL、3g:35mL、5g:40mL、8g:70mL、8g:100mL、8g:200mL、10g:20mL、10g:30mL或10g:60mL，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述供氮源包括尿素。
[0017]优选地，所述供硼源包括硼酸。
[0018]作为本专利技术的一种优选的技术方案，所述煅烧包括：升温后保温，最后降温。
[0019]优选地，所述煅烧前还包括干燥。
[0020]优选地，所述煅烧前的干燥的温度为40
‑
100℃，优选为50
‑
70℃，例如可以是40℃、50℃、60℃、70℃、80℃、90℃或100℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列
举的数值同样适用。
[0021]优选地，所述煅烧前的干燥的时间为5...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种B、N共掺杂碳纤维基催化材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：脱脂棉、供氮源、供硼源和水混合并煅烧，得到碳纤维基底，所述碳纤维基底浸于钯溶液，吸附平衡后干燥并退火，得到所述B、N共掺杂碳纤维基催化材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述混合中，供氮源、供硼源和水先混合为溶液，再与脱脂棉混合，直至所述脱脂棉对溶液吸附平衡；优选地，所述混合中，脱脂棉、供氮源、供硼源的质量比为(0.5
‑
10):(0.01
‑
5):(0.01
‑
5)，优选为(0.5
‑
10):(0.25
‑
2.5):(0.1
‑
1)；优选地，所述混合中，脱脂棉的质量和水的体积比为(0.5
‑
10)g:(10
‑
200)mL，优选为(0.5
‑
10)g:(20
‑
60)mL；优选地，所述供氮源包括尿素；优选地，所述供硼源包括硼酸。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述煅烧包括：升温后保温，最后降温；优选地，所述煅烧前还包括干燥；优选地，所述煅烧前的干燥的温度为40
‑
100℃，优选为50
‑
70℃；优选地，所述煅烧前的干燥的时间为5
‑
24h，优选为8
‑
12h；优选地，所述煅烧的气氛为N2气氛；优选地，所述煅烧中升温的速率为2
‑
15℃/min，优选为5
‑
10℃/min；优选地，所述煅烧中升温的终点温度为800
‑
1000℃，优选为900
‑
950℃；优选地，所述煅烧中保温的时间为0.5
‑
4h，优选为1
‑
3h；优选地，所述煅烧中降温的速率为2
‑
15℃/min，优选为5
‑
10℃/min。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的制备方法，其特征在于，所述钯溶液中的溶质为氯化钯；优选地，所述钯溶液的溶质浓度为0.01
‑
50mg/mL，优选为1
‑
10mg/mL；优选地，所述碳纤维基底和钯溶液中钯离子的质量比为33:(1
‑
5)，优选为33:(2
‑
4)。5.根据权利要求1
‑
4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为40
‑
100℃，优选为50
‑
70℃；优选地，所述干燥的时间为5
‑
24h，优选为8
‑
12h。6.根据权利要求1
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：袁文静，石绍渊，万印华，曹宏斌，韩笑，张宝之，
申请(专利权)人：中国科学院江西稀土研究院，
类型：发明
国别省市：