一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料、其制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料、其制备方法及应用，以生物废弃物泡桐树枝为碳源，通过简单的水热预碳化处理，利用CuCl2为无机动力学造孔剂，通过Cu

【技术实现步骤摘要】
一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料、其制备方法及应用


[0001]本专利技术属于多孔炭材料
，具体涉及一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料、其制备方法及应用。

技术介绍

[0002]能源短缺和环境污染是当今社会人类面临的主要问题。为了满足世界经济发展的需求，当前世界的能源消耗仍以化石燃料为主。然而，随着化石能源的过多使用，造成大气中以二氧化碳为主的温室气体浓度的急剧增加，打破自然界的碳平衡，带来严重的温室效应，引发一系列的气候及环境问题。为了应对温室效应带来的全球性气候变化这一严峻问题，各国纷纷出台减碳政策，提出“碳达峰、碳中和”战略目标，以应对碳过度排放引起的全球性气候变化危机。碳捕集、封存与利用技术是减少CO2排放的有效途径之一，且进一步将捕集的CO2转化为高附加值的化学或能源产品，实现CO2资源化利用，是一项可大规模实现低碳减排的技术，且可优化以化石能源为主体的能源结构，对缓解能源危机和实现碳中和目标具有重要的现实意义。CO2的高效捕集是此项减碳技术的核心和前提。
[0003]物理吸附法具有能耗低、易操作、无腐蚀、成本低和易再生等优势，成为一种重要的CO2捕获方法。高效CO2物理捕获应用的核心在于吸附剂材料的设计与开发。多孔炭材料孔隙结构发达、比表面积高、结构稳定、表面易于功能化及化学稳定性高，已被广泛用于吸附分离领域，是CO2捕集领域的热点材料。然而，由于原料来源的多样性和不确定性，导致多孔炭材料的品质波动较大，实现正真意义上多孔炭材料的精准可控制备具有较大的难度和挑战性。当前，如何实现多孔炭材料孔隙结构的精准调控及表面化学性质的定向功能集成从而满足高效CO2气体的捕集，仍是目前多孔炭质吸附剂材料的研究难点。因此，围绕多孔炭质吸附剂材料的结构设计和表面功能集成，立足制备工艺创新，开发多孔炭材料的可控制备技术，实现多孔炭材料孔隙结构的精准调控与表面定向功能集成，是设计高效多孔炭质CO2吸附剂材料的研究重点和难点。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于设计制备高效的分级孔微孔炭质CO2吸附剂，提供一种易操作、低成本、绿色的制备工艺合成孔隙结构可调的多尺度孔结构的微孔炭材料。以生物废弃物木材为碳源，通过水热预碳化处理作为前驱体，以无水CuCl2作为造孔剂，利用无水CuCl2的无机动力学活化过程构筑氮自掺杂的多尺度微孔炭材料，同时通过调控CuCl2的浓度实现对微孔炭材料孔隙结构的精准调控。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用的具体技术方案为：一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料的制备方法，过程如下：（1）废弃木材衍生的碳前驱体的制备：将收集的废弃的泡桐树枝用高纯水和无水乙醇反复洗涤，干燥，将干燥后的泡桐树枝粉碎为木屑粉末，用无水乙醇浸泡（10h~15h）后
干燥，称取干燥后的木屑粉末分散于高纯水中，室温下搅拌混匀，随后，将混匀的溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，150~200 ℃反应8~15 h，离心，得粉末，并用高纯水反复冲洗至洗液澄清，干燥后，即得废弃木材衍生的碳前驱体；（2）多尺度微孔炭材料的制备：称取上述废弃木材衍生的碳前驱体，在搅拌状态下使其均匀分散于溶有CuCl2的水溶液中，搅拌混合3~5 h，将混合后的悬浊液蒸除水溶剂，得到混合粉末，干燥，将干燥后的混合粉末放入刚玉方舟中，将方舟置于管式炉中，通入Ar气，加热至700~900℃并在该温度保温1.5~2.5 h，自然降至室温，取出产物置于稀酸中浸泡反应10~15小时，过滤洗涤，用高纯水洗至中性，干燥，即得多尺度微孔炭材料。
[0006]进一步地，步骤（1）和步骤（2）中的干燥均在50~80℃进行。
[0007]进一步地，步骤（1）中，木屑粉末分散于高纯水中时，木屑粉末和高纯水的质量体积比为1g:（50~80）mL。
[0008]进一步地，步骤（2）中废弃木材衍生的碳前驱体和CuCl2的质量比为1:（1~5），废弃木材衍生的碳前驱体和水的质量体积比为1g:（30~50）mL。
[0009]进一步地，步骤（2）中，Ar气气流量为40~60 mL/min，以3~8 ℃/min的升温速率加热至700~900℃。
[0010]进一步地，步骤（2）中，稀酸为稀盐酸，浓度为3 mol/L。
[0011]上述制备方法制得的废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料。多尺度微孔炭材料的BET比表面积为684.4~2856.9 m2g
‑1，孔容为0.27~1.5 cm3g
‑1。
[0012]上述废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料在吸附CO2中的应用。在0℃、1 bar条件下多尺度微孔炭材料对CO2的吸附量为3.9~9.6 mmol g
‑1，在25℃、1 bar条件下多尺度微孔炭材料对CO2的吸附量为2.6~5.7 mmol g
‑1。
[0013]本专利技术是以生物废弃物泡桐树枝为碳源，通过简单的水热预碳化处理，利用CuCl2为无机动力学造孔剂，通过Cu
2+
与木质纤维素的配位作用，借助进一步的动力学造孔过程进而产生丰富的孔隙结构。本专利技术所制备的微孔炭材料具有多尺度的微孔孔隙结构，且其孔隙结构精准可控，同时实现表面氮功能基团的定向功能集成，是一种可使用于工业化规模生产的多尺度微孔炭材料的制备方法，具有同时解决环境固体废弃物回收再利用转化为具有高附加值的化学品，同时其应用于CO2吸附剂材料，有助于缓解大气中CO2温室气体的排放量，是一项“一石二鸟”的低碳技术。
[0014]与现有制备技术相比，本专利技术具有以下技术效果：（1）本专利技术提出一种新颖的CuCl2动力学活化造孔方法，实现微孔孔隙结构的精准调控，且造孔剂CuCl2能够回收再利用。
[0015]（2）本专利技术以生物固体废弃物为碳源，实现废弃物的回收资源化利用。制备工艺具有低成本、工艺简单、易操作，是一种具有经济效益、可规模化工业生产的绿色工艺技术。
[0016]（3）本专利技术所设计的多尺度微孔炭材料具有精准可控的微孔孔隙结构及表面氮功能基团自掺杂的功能集成，具有超高的CO2吸附性能，是一种极具应用潜力的多孔炭基CO2吸附剂材料。
附图说明
[0017]图1为活化造孔后酸处理前产物以及HMC
‑
x材料的XRD图谱；
图2为HMC
‑
x材料的Raman光图谱；图3为HMC
‑
x材料的扫描电镜图；a为HMC
‑
0，b为HMC
‑
1，c为HMC
‑
2，d为HMC
‑
3，e为HMC
‑
4，f为HMC
‑
5；图4为水热前驱体材料（a）及HMC
‑
x材料的红外光图谱（b）；图5为水热前驱体材料（a）及HMC
‑
x材料的XPS图谱（b）；图6为HMC
‑
x材料的孔结构分析图；图7为HMC
‑
x材料在273和298 K温度下CO2吸附性能图。本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种废弃天然木材衍生的多尺度微孔炭材料的制备方法，其特征在于，过程如下：（1）废弃木材衍生的碳前驱体的制备：将收集的废弃的泡桐树枝用高纯水和无水乙醇反复洗涤，干燥，将干燥后的泡桐树枝粉碎为木屑粉末，用无水乙醇浸泡后干燥，称取干燥后的木屑粉末分散于高纯水中，室温下搅拌混匀，随后，将混匀的溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中，150~200 ℃反应8~15 h，离心，得粉末，并用高纯水反复冲洗至洗液澄清，干燥后，即得废弃木材衍生的碳前驱体；（2）多尺度微孔炭材料的制备：称取上述废弃木材衍生的碳前驱体，在搅拌状态下使其均匀分散于溶有CuCl2的水溶液中，搅拌混合3~5 h，将混合后的悬浊液蒸除水溶剂，得到混合粉末，干燥，将干燥后的混合粉末放入刚玉方舟中，将方舟置于管式炉中，通入Ar气，加热至700~900℃并在该温度保温1.5~2.5 h，自然降至室温，取出产物置于稀酸中浸泡反应10~15小时，过滤洗涤，用高纯水...

【专利技术属性】
技术研发人员：石微微，李园园，周宇阳，常彬彬，
申请(专利权)人：黄河科技学院，
类型：发明
国别省市：