【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及掺杂生物炭制备，具体涉及一种杂原子掺杂生物炭的制备方法和应用。
技术介绍
1、co2的过度排放引发了全球气候变暖等一系列问题。尽管全世界都提出了相应的碳减排措施，但据iea发布的《2022年co2排放》报告称2022年全球co2排放量超过368亿吨，达到了历史的新高。其中电力行业的排放占到了总排放的39.3％。因此降低全球电力行业的co2排放势在必行。其中固体吸附法由于其捕集能耗低、热稳定性好、循环性能优异、选择性高等优点被认为是未来最有前景的碳捕集技术之一。
2、当前已被广泛用于co2捕集的固体吸附剂有沸石分子筛、有机金属框架、介孔硅、碱金属碳酸盐、多孔炭材料、有机聚合物等。这些材料最大的共同点就是拥有丰富的孔结构，而多孔结构对于co2的吸附属于典型的物理吸附，co2浓度和吸附温度对物理吸附的影响极大。烟气中co2浓度较低，吸附温度又相对较高，因此仅仅依靠丰富的孔结构显然不足以实现对烟气中co2的高性能捕集。许多功能化的材料被开发用于高温下低浓度co2的高效捕集，其中杂原子掺杂技术可以通过改变原始材料的骨架结构、电子排布等改变材料的极性，从而提高对co2的捕集性能。杂原子掺杂生物炭结合了生物炭制备方法简单、原料来源广泛、成本低的优点和杂原子掺杂带来的特异性吸附，是一种很有前景的固体吸附剂。
3、目前用于掺杂的主要原子有硼，氮，磷，硫等，主要应用在吸附分离、有机催化、传感器、能量转化与储存等方面。而用于co2吸附的杂原子掺杂炭材料主要集中在氮掺杂方面，对于其他几种原子掺杂的研究则很有限。主要
4、综上，目前对于杂原子掺杂生物炭的研究存在以下两个问题：一是由于杂原子掺杂形态繁多，而每种掺杂形态对碳捕集性能的影响不同，因此需要大量的尝试实验去优化性能，大量的试错次数导致杂原子掺杂生物炭开发成本较高。二是对于杂原子掺杂生物炭的研究以氮掺杂生物炭为主，对于其他原子掺杂研究较少，且尚无系统的研究揭示每种杂原子掺杂形态对生物炭碳捕集性能的影响情况，因此制备的杂原子掺杂生物炭碳捕集性能有限。
5、[1]zaman a c,karaaslan o f.sulfur/oxygen-doped porous carbon vianacl-assisted thermolysis of molecular precursor for co2 capture[j].materialschemistry and physics,2021:125288.
技术实现思路
1、为了解决现有技术中制备杂原子掺杂生物炭存在的问题中的至少一个，本专利技术提供一种杂原子掺杂生物炭的制备方法及应用，该制备采用一步热解法，全程无酸碱溶剂参与，工艺简单，环境友好，且所制备的杂原子掺杂生物炭不仅富含大量的超微孔结构，还具有丰富的表面官能团，可以实现烟气co2高性能吸附。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、本专利技术第一方面提供了一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，包括如下步骤：
4、s1、将1份碳源材料、1-6份活化剂以及0.5-1.5份杂原子掺杂剂置于研磨器中物理研磨充分混合；
5、s2、将混合物在保护气环境下加热到600-1000℃并保持45-90min；
6、s3、步骤s2完成后自然降温，将碳化后的黑色物质用去离子水在常温下搅拌10-20小时；
7、s4、步骤s3完成后将固体物质用去离子水反复洗涤至溶液呈中性；
8、s5、洗涤后的材料置于烘箱中干燥即得杂原子掺杂生物炭；在一些具体实施方案中，洗涤后的材料放在105℃的烘箱中干燥12小时。
9、在本专利技术的一些实施方案中，所述杂原子掺杂剂为硼原子掺杂剂、磷原子掺杂剂、硫原子掺杂剂中的一种。
10、在本专利技术的一些实施方案中，所述硼原子掺杂剂为硼酸盐，优选地为偏硼酸钾、硼酸钾、偏硼酸钠、硼酸钠、偏硼酸钙、硼酸钙、硼酸镁中的一种。
11、在本专利技术的一些实施方案中，所述磷原子掺杂剂为磷酸盐，优选地为磷酸三钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸镁、磷酸二氢镁、磷酸氢镁中的一种。
12、在本专利技术的一些实施方案中，所述硫原子掺杂剂为硫酸盐，优选地为硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙、硫酸镁中的一种。
13、在本专利技术的一些实施方案中，所述碳源材料为生物质碳源材料，如玉米芯粉、木材粉、竹材粉、农业废弃物、秸秆粉等。
14、在本专利技术的一些实施方案中，所述活化剂为碳酸钾。
15、在本专利技术的一些实施方案中，步骤s2中保护气环境为：保护气为氮气，流量为100-200ml/min，升温速率为5-10℃/min。在本专利技术的一些实施方案中，将混合物在100-200ml/min的氮气气氛下以5-10℃/min的升温速率加热到800℃并保持1小时。
16、本专利技术的第二方面提供了根据第一方面所述的方法制备得到的杂原子掺杂生物炭。
17、本专利技术的第三方面提供了第二方面所述的杂原子掺杂生物炭在碳捕集方面的应用，如烟气中co2的吸附。
18、本专利技术还提供了一种杂原子掺杂生物炭定向设计方法，包括以下步骤：首先构建不同杂原子形态掺杂的生物炭分子模型，采用dft计算不同生物炭模型上的co2吸附能、n2吸附能和co2/n2理论选择性。根据co2吸附能及理论选择性的大小筛选出合适的具体掺杂形态。
19、随后根据dft计算筛选出的具体掺杂形态为单体，构建纳米级多孔材料模型，采用gcmc模拟不同纳米级多孔材料模型上的co2吸附等温线等性能数据，进一步验证dft计算筛选的结果。
20、最后采用一步热解法定向制备掺杂有以上杂原子形态的生物炭。
21、本专利技术的有益效果
22、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果为：本专利技术基于dft筛选，提供了一种杂原子掺杂生物炭定向设计思路和方法，采用dft理论计算通过co2吸附能、n2吸附能和co2/n2理论选择性三方面从分子原子角度筛选出吸附性能优异的杂原子掺杂形态bco2、p-c和c-s-c，为后续研究提供具体掺杂的方向。随后采用gcmc分子模拟在纳米尺度上通过计算以上三种形态掺杂生物炭上的co2吸附等温线等进一步验证dft计算的结果，co2吸附等温线结果表明，杂原子掺杂可以提高生物炭在低压下的co2吸附能力。根据dft计算筛选出的具体掺杂形态为单体，最后采用一步热解法定向制备掺杂有以上筛选出的掺杂形态的生物炭，实现优异的co2吸附。本专利技术提出的理论计算指导实验实现了杂原子掺杂的定向本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述杂原子掺杂剂为硼原子掺杂剂、磷原子掺杂剂、硫原子掺杂剂中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述硼原子掺杂剂为硼酸盐：偏硼酸钾、硼酸钾、偏硼酸钠、硼酸钠、偏硼酸钙、硼酸钙、硼酸镁中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述磷原子掺杂剂为磷酸盐：磷酸三钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸镁、磷酸二氢镁、磷酸氢镁中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述硫原子掺杂剂为硫酸盐：硫酸钾、硫酸钠、硫酸钙、硫酸镁中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述碳源材料为生物质碳源材料。
7.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述活化剂为碳酸钾。
8.根据权利要求1所
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法制备得到的杂原子掺杂生物炭。
10.权利要求9所述的杂原子掺杂生物炭在碳捕集方面的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述杂原子掺杂剂为硼原子掺杂剂、磷原子掺杂剂、硫原子掺杂剂中的一种。
3.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述硼原子掺杂剂为硼酸盐：偏硼酸钾、硼酸钾、偏硼酸钠、硼酸钠、偏硼酸钙、硼酸钙、硼酸镁中的一种。
4.根据权利要求2所述的一种杂原子掺杂生物炭的制备方法，其特征在于：所述磷原子掺杂剂为磷酸盐：磷酸三钾、磷酸二氢钾、磷酸氢钾、磷酸钠、磷酸二氢钠、磷酸氢钠、磷酸镁、磷酸二氢镁、磷酸氢镁中的一种。
5.根据权利要求2所述的一种杂原子掺...
【专利技术属性】
技术研发人员：汤明慧，李宏宪，陆胜勇，刘祺，宫志远，严建华，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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