一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球的制备方法，包括：将组氨酸、盐模板剂溶于盐酸水溶液中，然后在室温下搅拌混合，得到前驱液；对前驱液进行喷雾干燥得到具有独特形态的空心微球，喷雾干燥过程的塔顶温度为150～200℃；将空心微球在惰性气氛中煅烧，煅烧温度为600～1000℃；通过水洗除去盐模板剂获得具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球。本发明专利技术通过盐模板法结合喷雾干燥技术制备的上述空心碳微球，对臭氧氧化反应具有良好的催化性能。的催化性能。

【技术实现步骤摘要】
一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于微球制备和臭氧氧化催化
，尤其涉及一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]多级孔碳材料在能源存储与转化、多相催化、吸附、分离和生命科学应用方面具有巨大的潜力。近年来，关于该类材料的设计和合成方面取得了显著进展，盐模板因其价格低廉、种类丰富、易于去除等优点，已被广泛应用于多级孔碳材料的合成中。
[0003]目前，有关使用盐模板法来制备多级孔碳材料的研究中，除少数是直接将碳前驱体与选用的盐混合研磨后就进行煅烧外，大部分研究都会将碳前驱体与无机盐溶解在超纯水中，因此后续必须进行干燥。一般采用水浴干燥或冷冻干燥的方式将溶剂蒸发干净，但这两种方法都有各自的缺点。对于水浴干燥，在干燥过程中不可避免的产生热应力，导致最终所得干燥材料有不同程度的裂纹出现，破坏了材料本身的结构；对于冷冻干燥，虽然可以避免产生热应力，并且干燥过程中冰晶的升华还可以创造大孔结构，但是其干燥时间太长(1～3天)，电力成本太高。
[0004]另外，高温碳化过程势必会导致大量含氧官能团的减少，使得碳材料中缺乏足够的活性位，这大大限制了多孔碳在水处理领域中的实际应用。为此学者们对多孔碳材料的功能化改性进行了深入的研究，其中最行之有效的方法为湿法氧化法，即将碳材料浸润在如硝酸、硫酸、过氧化氢等强氧化性溶液中回流一段时间。这种方法虽能引入大量含氧官能团，但能观察多孔碳的孔隙结构受到了明显的破坏，并且在回流处理过程会放出有毒有害气体。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足，本专利技术提供的方法流程简单、成本低廉、适合工业化生产，经本方法制备的多级孔碳材料在臭氧催化氧化反应中具有良好的催化性能。
[0006]本专利技术提供了一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将组氨酸、盐模板剂和盐酸水溶液均匀混合，得到前驱液；
[0008](2)将所述前驱液进行喷雾干燥，得到空心微球；
[0009](3)将所述空心微球进行煅烧，得到煅烧产物；
[0010](4)将所述煅烧产物水洗去除模板剂，得到具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球。
[0011]优选的，所述喷雾干燥过程中的塔顶温度为150～200℃。
[0012]优选的，所述喷雾干燥过程中的压力为0.1～0.5kg/cm2；震动频率为5～15kHz；幅值为10～20Vpp。
[0013]优选的，所述煅烧的温度为600～1000℃。
[0014]优选的，所述前驱液中组氨酸和盐模板剂的总质量浓度为6～12wt％。
[0015]优选的，所述盐模板剂选自氯化钾和/或氯化钠。
[0016]优选的，所述组氨酸和盐模板剂的质量比为1：(1～10)。
[0017]优选的，所述空心微球的直径为85～95μm。
[0018]本专利技术提供了一种上述技术方案所述的方法制备得到的具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球，其比表面积为695～1224m2/g，孔体积为0.33～0.70cm3/g，氧含量为11.15～25.88wt％。
[0019]在又一方面，本专利技术提供了一种臭氧氧化催化剂，包括：
[0020]上述技术方案所述的方法制备得到的具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球。
[0021]借由上述技术方案，本专利技术至少具有以下优点：
[0022]在本专利技术中使用的具有高热稳定性的无机盐(如氯化钠或氯化钾等)是一种良好的包覆剂、模板剂和致孔剂；在整个煅烧过程中碳源能一直被限制在层层堆叠的盐晶粒间隙中，可以在一定程度上抑制原有含氧官能团的受热分解；当煅烧温度在无机盐的熔融温度以下时，可作为结构模板存在；当煅烧温度超过其熔融温度后，来自熔盐的高能离子可以蚀刻碳骨架以产生孔隙，进而形成多级孔结构。
[0023]本专利技术利用喷雾干燥技术，雾化小液滴到干燥微球的转变仅为2s之内，并且在干燥过程中可以在微液滴内实现组氨酸与盐模板剂的限域组装，使得组氨酸结晶粒子包覆着盐晶粒，同时又被限域在层层堆叠的盐晶粒间，这对于中空球形形貌的保持、比表面积与含氧量的提升、多级孔结构的形成具有重要作用。
附图说明
[0024]图1为本专利技术实施例1制备的喷雾干燥样品的SEM图；
[0025]图2为本专利技术实施例1制备的碳材料的SEM图；
[0026]图3为本专利技术对比例1制备的碳材料的SEM图；
[0027]图4为本专利技术实施例1～3以及对比例1制备的碳材料的N2吸脱附等温线及孔径分布图；
[0028]图5为本专利技术实施例1～3以及对比例1制备的碳材料的元素含量分析结果(分析数据由Thermo Fisher Scientific FlashSmart CHNS/O元素分析仪定量分析得到)；
[0029]图6为本专利技术实施例1～3以及对比例1制备的碳材料催化臭氧氧化草酸钠的测试结果；
[0030]图7为本专利技术实施例2和实施例5所制备碳材料的物化性质和催化臭氧氧化草酸钠的测试结果。
具体实施方式
[0031]下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通
技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0032]本专利技术提供了一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球的制备方法，包括以下步骤：
[0033](1)将组氨酸、盐模板剂和盐酸水溶液均匀混合，得到前驱液；
[0034](2)将所述前驱液进行喷雾干燥，得到空心微球；
[0035](3)将所述空心微球进行煅烧，得到煅烧产物；
[0036](4)将所述煅烧产物水洗去除模板剂，得到具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球。
[0037]在本专利技术中，所述盐模板剂优选选自氯化钾和/或氯化钠。
[0038]在本专利技术中，所述盐酸水溶液的质量浓度优选为0～0.3wt％(不包含0)，更优选为0.1～0.2wt％。
[0039]在本专利技术中，所述组氨酸和盐模板剂的质量比优选为1：(1～10)，更优选为1：(2～8)，更优选为1：(4～8)，最优选为1：(5～6)。
[0040]在本专利技术中，所述前驱液中组氨酸和盐模板剂的总质量浓度优选为6～12wt％，更优选为7～9wt％，最优选为8wt％。
[0041]在本专利技术中，所述混合的方法优选包括：将组氨酸、盐模板剂溶于盐酸水溶液中进行混合。
[0042]在本专利技术中，所述混合优选在搅拌的条件下进行；所述混合的温度优选为室温，更优选为20～30℃，最优选为25℃。
[0043]在本专利技术中，所述喷雾干燥优选通过微流控气溶胶本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球的制备方法，包括以下步骤：(1)将组氨酸、盐模板剂和盐酸水溶液均匀混合，得到前驱液；(2)将所述前驱液进行喷雾干燥，得到空心微球；(3)将所述空心微球进行煅烧，得到煅烧产物；(4)将所述煅烧产物水洗去除模板剂，得到具有高氧含量的氮掺杂空心多级孔碳微球。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷雾干燥过程中的塔顶温度为150～200℃。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷雾干燥过程中的压力为0.1～0.5kg/cm2；震动频率为5～15kHz；幅值为10～20Vpp。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述煅烧的温度为600～1000℃。5.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴铎，蒋管赟，吴张雄，高兴敏，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：