一种氮掺杂生物炭材料的制备方法及其应用技术

本申请提供一种氮掺杂生物炭材料的制备方法及其应用，属于催化材料制造领域。氮掺杂生物炭材料的制备方法包括以下步骤：将胶原纤维浸泡在溶剂中，得到第一反应前驱体，其中，溶剂的pH≤7；将第一反应前驱体与含有氮源的第二反应前驱体混合后进行加热反应，得到反应中间体；对反应中间体进行固液分离，得到固相反应中间体；对固相反应中间体进行加热碳化，得到氮掺杂生物炭材料，该氮掺杂生物炭材料的制备方法能够在一定程度上改善氮掺杂生物炭材料的制备方法存在的制备流程复杂以及制备成本较高的问题。本较高的问题。本较高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种氮掺杂生物炭材料的制备方法及其应用


[0001]本申请涉及催化材料制造领域，具体而言，涉及一种氮掺杂生物炭材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]现有技术中，有机污染物的处理通常会用到活化后的过硫酸盐，其中，常用的一种活化剂为氮掺杂生物炭，但是，该类活化剂的当前制备方法存在制备流程复杂以及制备成本较高的问题。

技术实现思路

[0003]本申请的目的在于提供一种氮掺杂生物炭材料的制备方法及其应用，能够在一定程度上改善氮掺杂生物炭材料的制备方法存在的制备流程复杂以及制备成本较高的问题。
[0004]本申请的实施例是这样实现的：
[0005]第一方面，本申请实施例提供一种氮掺杂生物炭材料的制备方法，包括以下步骤：
[0006]将胶原纤维浸泡在溶剂中，得到第一反应前驱体，其中，溶剂的pH≤7；将第一反应前驱体与含有氮源的第二反应前驱体混合后进行加热反应，得到反应中间体；对反应中间体进行固液分离，得到固相反应中间体；对固相反应中间体进行加热碳化，得到氮掺杂生物炭材料。
[0007]上述技术方案中，直接采用胶原纤维作为反应原料，能够不用预先将反应溶剂调整为酸性，相较于常规的制备方法(需要预先进行酸性调节步骤)，能够简化制备工艺，降低制备成本。
[0008]在一些可选的实施方案中，胶原纤维和第二反应前驱体中的氮源的质量比为1：(1～3)。
[0009]上述技术方案中，将胶原纤维和氮源的质量比限定在特定范围内，能够使得二者具有适宜的用量比，从而使得氮源能够较好地掺杂到胶原纤维的内部孔道中。
[0010]在一些可选的实施方案中，第二反应前驱体中的氮源包括聚乙烯亚胺、多巴胺和氨基酸中的至少一种。
[0011]本申请实施例提供的技术方案适用于上述多种氮源体系，能够提供更多的可实施方案，从而便于对本申请实施例提供的技术方案进行推广和应用。
[0012]在一些可选的实施方案中，在得到第一反应前驱体以后且在进行加热反应的步骤之前，还包括采用醛类溶液对第一反应前驱体进行活化处理；
[0013]可选地，醛类溶液包括戊二醛、甲醛和乙醛中的至少一种；
[0014]可选地，第一反应前驱体与醛类溶液的质量体积比为1g：(3～5)mL；
[0015]可选地，活化处理的时间为10～20min。
[0016]上述技术方案中，在进行加热反应的步骤之前对第一反应前驱体进行活化处理，能够增加胶原纤维的反应活性，从而在胶原纤维和氮源反应时能够更容易地得到反应中间
体，从而提高反应效率。
[0017]进一步地，本申请实施例提供的技术方案适用于多种醛溶液，能够提供更多的可实施方案，从而便于对本申请的技术方案进行推广和应用。
[0018]进一步地，将第一反应前驱体与醛类溶液的质量体积比以及活化处理的时间限定在特定范围内，能够使得二者具有适宜的用量比，从而能够较好地活化胶原纤维。
[0019]在一些可选的实施方案中，在加热碳化的步骤中，包括先进行第一阶段碳化，然后再升高温度进行第二阶段碳化。
[0020]上述技术方案中，采用两段式碳化的方式，相较于采用一段式碳化的方式，能够提高材料的碳化率，从而提升材料的活化性能。
[0021]在一些可选的实施方案中，在进行第一阶段碳化的过程中，处理温度为200～400℃，处理时间为2～5h；和/或，在进行第二阶段碳化的过程中，处理温度为400～800℃，处理时间为2～5h。
[0022]上述技术方案中，将两个碳化过程中的温度和时间分别限定在特定范围内，能够使得两个碳化过程均在较为适宜的条件下进行，相较于不在特定范围内，能够提高材料的碳化效果。
[0023]在一些可选的实施方案中，在进行第二阶段碳化的过程中，处理温度为500～800℃；
[0024]可选地，处理温度为600～800℃；
[0025]可选地，处理温度为700～800℃。
[0026]上述技术方案中，将处理温度限定在特定范围，一方面，能够实现对材料的有效碳化；另一方面，通过将第二阶段碳化的处理温度限定在特定范围内，能够使得仅具有自由基活路径的氮掺杂生物炭材料具有自由基活化路径和非自由基活化路径或者仅具有非自由基活化路径，从而使制备得到的氮掺杂生物炭材料更适用于降解富电子有机污染物。
[0027]进一步地，逐渐升高处理温度，一方面，能够使得对碳化的效率更高；另一方面，能够使得氮掺杂生物炭材料拥有的自由基活化路径进一步向非自由基活化路径转换，甚至可能实现全部转换为非自由基活化路径，从而进一步增加制备得到的氮掺杂生物炭材料对富电子有机污染物的降解能力。
[0028]第二方面，本申请实施例提供一种氮掺杂生物炭材料在降解有机污染物中的应用，氮掺杂生物炭材料由如第一方面实施例提供的氮掺杂生物炭材料的制备方法制得。
[0029]在一些可选的实施方案中，包括以下步骤：
[0030]用氮掺杂生物炭材料活化过硫酸盐，再用活化后的过硫酸盐降解有机污染物；
[0031]可选地，在氮掺杂生物炭材料活化过硫酸盐的活化溶液体系中，氮掺杂生物炭材料与过硫酸盐的浓度比为(0.05～0.15)g/L：(1～3)mM；
[0032]可选地，在降解有机污染物的过程中，处理时间为40～60min。
[0033]上述技术方案中，采用氮掺杂生物炭活化后的过硫酸盐来降解有机污染物，具有绿色高效的优势。
[0034]进一步地，在氮掺杂生物炭活化过硫酸盐的活化溶液体系中，将氮掺杂生物炭与过硫酸盐的浓度比限定在特定范围内，能够使得二者具有适宜的用量比，从而能够较好地活化过硫酸盐。
[0035]进一步地，在降解有机污染物的过程中，将处理时间限定在特定范围内，一方面能够有效避免处理时间较短导致有机污染物未被有效去除，另一方面能够有效避免处理时间过长导致时间浪费(达到降解饱和度以后，继续延伸时间，降解效果没有明显提升，只会造成时间浪费)。
[0036]在一些可选的实施方案中，有机污染物包括富电子有机污染物。
[0037]上述技术方案中，第一方面实施例提供的氮掺杂生物炭材料特别适用于降解富电子有机污染物。
附图说明
[0038]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0039]图1为本申请实施例提供的一种氮掺杂生物炭材料的制备方法的工艺流程图；
[0040]图2为本申请实施例提供的不同碳化温度下的氮掺杂生物炭材料的活化性能测试结果；
[0041]图3～图7为本申请实施例提供的一系列过渡金属催化剂在不同猝灭剂作用下的活化性能测试结果；
[0042]图8为本申请实施例提供的不同碳化温度下的氮掺杂生物炭材料的活化路本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮掺杂生物炭材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将胶原纤维浸泡在溶剂中，得到第一反应前驱体，其中，所述溶剂的pH≤7；将所述第一反应前驱体与含有氮源的第二反应前驱体混合后进行加热反应，得到反应中间体；对所述反应中间体进行固液分离，得到固相反应中间体；对所述固相反应中间体进行加热碳化，得到氮掺杂生物炭材料。2.根据权利要求1所述的氮掺杂生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述胶原纤维和所述第二反应前驱体中的所述氮源的质量比为1：(1～3)。3.根据权利要求2所述的氮掺杂生物炭材料的制备方法，其特征在于，所述第二反应前驱体中的所述氮源包括聚乙烯亚胺、多巴胺和氨基酸中的至少一种。4.根据权利要求1～3中任一项所述的氮掺杂生物炭材料的制备方法，其特征在于，在得到所述第一反应前驱体以后且在进行所述加热反应的步骤之前，还包括采用醛类溶液对所述第一反应前驱体进行活化处理；可选地，所述醛类溶液包括戊二醛、甲醛和乙醛中的至少一种；可选地，所述第一反应前驱体与所述醛类溶液的质量体积比为1g：(3～5)mL；可选地，所述活化处理的时间为10～20min。5.根据权利要求1～3中任一项所述的氮掺杂生物炭材料的制备方法，其特征在于，在所述加热碳化的步骤中，包括先进行第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭丽君，周建飞，石碧，唐余玲，徐士强，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：