一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的制备方法，以具有天然片状结构和富含钾离子的香蕉皮为原料，使得制备的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶继承了丰富的天然孔道结构和高比表面积，经过风干处理结合生物质自活化再经快速碳化产生介孔和大孔；再通过化学活化制备大量微孔，形成了具有微

【技术实现步骤摘要】
一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及气凝胶
，尤其涉及一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]电容去离子(CDI)是一种低成本、节能的海水淡化技术，近年来已被证明能有效缓解我国的水资源短缺问题。碳气凝胶材料是广泛应用于电容去离子的电极材料，其特点是质量密度低、稳定性好以及易于掺杂。
[0003]然而，现有技术中的碳材料固有的单一孔结构、纯物理吸附行为和极差的润湿性导致其对Na
+
、K
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、Mg
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、Ca
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等离子的吸附能力低、吸附速率慢，限制了其在电容去离子中的应用；例如公开号为“CN108212089A”的专利技术专利公开了一种功能麻类生物质碳气凝胶及其制备方法与应用，该专利制备的生物质碳气凝胶只对溶液中稀有元素的酸根离子（如硒离子）有较高的吸附性；公开号为“C106390970A”的专利技术专利公开了一种二氧化钛负载生物质碳气凝胶材料的制备方法，也只是用于处理染料废水，并废水中的有色染料（如亚甲基蓝）有较高吸附性。即以上现有技术提供的生物质气凝胶只是对特定的离子或物质有较好的吸附性，限制了其在电容去离子中的应用。
[0004]因此，亟需一种孔结构丰富、吸附能力高、吸附速率快的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶，使其能够实现对Na
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、K
+
、Mg
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、Ca
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离子的较高吸附率。<br/>
技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶及其制备方法和应用，本专利技术提供的方法制备的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶，具有高比表面积和分级多孔结构，孔结构丰富，且其对Na
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、K
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、Mg
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、Ca
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离子吸附能力高、吸附速率快。
[0006]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：（1）在惰性气氛下，将风干香蕉皮进行第一碳化处理，得到第一碳化处理的碳气凝胶；所述风干香蕉皮由新鲜香蕉皮经风干处理得到；所述第一碳化处理为快速碳化处理；（2）将所述步骤（1）得到的第一碳化处理的碳气凝胶与无水乙醇和氯化锌溶液混合后，进行第一冷冻干燥，得到第一混合物；（3）将所述步骤（2）得到的第一混合物依次进行第二碳化处理、酸洗和第二冷冻干燥，得到活化后的碳气凝胶；（4）将所述步骤（3）得到的活化后的碳气凝胶与无水乙醇和硼酸铵溶液混合后，进行第三冷冻干燥，得到第二混合物；（5）将所述步骤（4）得到的第二混合物依次进行第三碳化处理、洗涤和第四冷冻干燥，得到硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶。
[0007]优选地，所述步骤（1）中风干处理的温度为60~100℃/min，风干处理的时间为24~
48h。
[0008]优选地，所述步骤（1）中第一碳化处理的升温速度为15~25℃/min，第一碳化处理的温度为550~1000℃，第一碳化处理的时间为1~4h。
[0009]优选地，所述步骤（2）中第一碳化处理的碳气凝胶与氯化锌溶液中氯化锌的质量比为1:（4~10）。
[0010]优选地，所述步骤（3）中第二碳化处理的升温速度为5~10℃/min，第二碳化处理的温度为850~1000℃，第二碳化处理的时间为1~4h。
[0011]优选地，所述步骤（4）中活化后的碳气凝胶与硼酸铵溶液中硼酸铵的质量比为1:（3~10）。
[0012]优选地，所述步骤（5）中第三碳化处理的升温速度为3~11℃/min，第三碳化处理的温度为700~1000℃，第三碳化处理的时间为1~4h。
[0013]优选地，所述步骤（2）~（5）中第一冷冻干燥、第二冷冻干燥、第三冷冻干燥和第四冷冻干燥的时间独立地为24~48h。
[0014]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶。
[0015]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶或上述技术方案所述的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶在电容去离子中的应用。
[0016]本专利技术提供了一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的制备方法，利用具有天然片状结构和富含钾离子的香蕉皮作为原料，使得制备的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶继承了丰富的天然孔道结构和高比表面积；疏松的新鲜香蕉皮经过风干处理形成结构致密的风干香蕉皮，再通过快速碳化，使风干香蕉皮内的气体和剩余水分快速释放，产生气压，使得材料发生膨胀，产生介孔和大孔，因此形成了多孔碳气凝胶；而后通过化学活化制备大量微孔，形成了具有微
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介
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大孔的分级多孔结构的生物质碳气凝胶，且所述介孔和大孔有利于电解质的渗透和离子运输，而大量的微孔可以提供更多的吸附位点，有利于促进所述生物质碳气凝胶的除盐性能，提高吸附能力，加快吸附速率，并且进一步结合双元素掺杂(B和N)，在所述生物质碳气凝胶中引入丰富的掺杂位点，可以增加具有赝电容行为的离子吸附位点，并且提高了表面亲水性，进一步提升除盐性能。活化产物即所述活化后的碳气凝胶具有高比表面积和分级多孔结构，后续B/N共掺杂并未破坏其微
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介
‑
大孔的分级多孔结构，即不会发生分级多孔结构的破坏，且掺杂后比表面积略有增加。此外，由二维纳米片组成的所述生物质碳气凝胶具有超高的比表面积和丰富的孔隙率与活性位点以及良好的润湿性，应用在电容去离子领域时，良好的润湿性使得溶液可以充分的浸润到电极内部，良好的分级多孔结构提供优异的离子传输通道，使得丰富的赝电容活性位点可以得到充分利用，从而有效地提高其电化学存储性能；所述生物质碳气凝胶可以作为一体化电极直接用于除盐测试，无需添加粘结剂和导电剂，使得它可以缩短实验进程，缩减实验成本，在实际电容去离子应用中具有重要意义，本专利技术制备的具有高比表面积和分级多孔结构的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶不仅对于不同浓度的Na
+
溶液有较高的去除率，并且对于不同离子也有较好的吸附性能。实施例的结果显示，本申请实施例制备的具有超高的比表面积和丰富的分级多孔结构；在1.2V电压下，500mg/L的氯化钠溶液中的吸附性能为20.50mg/g；对于K
+
、Mg
+
、Ca
+
等离子也有较为良好的吸附性能，分别达到了19.50mg/g、15.39mg/g、25.32mg/g，且比
表面积、总孔体积、微孔体积均较高。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例1制备的活化后的碳气凝胶的扫描电镜图；图2为本专利技术实施例1制备的活化后的碳气凝胶的透射图；图3为本专利技术实施例1制备的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的扫描电镜图；图4为本专利技术实施例1制备的硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的透射图；图5为本专利技术实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：（1）在惰性气氛下，将风干香蕉皮进行第一碳化处理，得到第一碳化处理的碳气凝胶；所述风干香蕉皮由新鲜香蕉皮经风干处理得到；所述第一碳化处理为快速碳化处理；（2）将所述步骤（1）得到的第一碳化处理的碳气凝胶与无水乙醇和氯化锌溶液混合后，进行第一冷冻干燥，得到第一混合物；（3）将所述步骤（2）得到的第一混合物依次进行第二碳化处理、酸洗和第二冷冻干燥，得到活化后的碳气凝胶；（4）将所述步骤（3）得到的活化后的碳气凝胶与无水乙醇和硼酸铵溶液混合后，进行第三冷冻干燥，得到第二混合物；（5）将所述步骤（4）得到的第二混合物依次进行第三碳化处理、洗涤和第四冷冻干燥，得到硼/氮共掺杂的生物质碳气凝胶。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中风干处理的温度为60~100℃/min，风干处理的时间为24~48h。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中第一碳化处理的升温速度为15~25℃/min，第一碳化处理的温度为550~1000℃，第一碳化处理的时间为1~4h。4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：王东，张睿，邱尧，刘志远，杨华增，温广武，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：