一种氧-氮共掺杂的多孔碳及其制备方法和应用与流程

本发明涉及吸附材料领域，具体涉及一种氧-氮共掺杂的多孔碳及其制备方法和应用。

背景技术：

1、随着经济的高速发展以及人们生活水平的提高，挥发性有机化合物（vocs）和二氧化碳（co2）成为了亟待解决的两大主要大气污染物对人体健康、全球气候和生态平衡都构成了严重威胁。因此，开发高效、经济的吸附材料是缓解环境污染，实现碳中和目标的关键技术之一。

2、常见的固体吸附剂中，多孔碳材料由于其具有比表面积高，孔体积大，孔径小，孔径分布良好，反应活性位点丰富，表面官能团多，物理化学性质稳定等优良特性，被认为是理想的吸附剂，在co2、vocs吸附剂材料研究中备受关注。现有的对多孔碳材料的制备主要可分活化法、模板法、溶胶-凝胶法。其中活化法又可分为物理活化和化学活化，物理活化法是利用高温将碳前驱体进行碳化，再使用水蒸汽或者二氧化碳作为活化剂与碳前驱体反应达到造孔的目的，然而物理活化法只发生在碳材料的表面，活化作用力较弱，所制备的多孔碳材料吸附性能较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的多孔碳材料的吸附性能较差的问题，提供了一种氧-氮共掺杂的多孔碳及其制备方法和应用。该氧-氮共掺杂的多孔碳表现出优秀的二氧化碳和挥发性有机化合物吸附性能；该多孔碳的制备方法可在一次活化过程中协同实现造孔、氮掺杂和氧掺杂，工艺流程经济、高效且简便。

2、本发明的发明人通过研究发现，通过在多孔碳材料中掺杂杂原子（如n和o），可以为吸附co2、vocs提供更活跃的点位，从而显著提升多孔碳材料对co2和vocs的吸附性能，具体的，氮掺杂通过引入吡啶、吡咯等形式的氮官能团，不仅增加了材料表面的极性与碱性，促进了co2和vocs的物理及化学吸附，有助于提升co2和vocs的吸附量和选择性，即便在较低压力和较高温度下也能保持高效吸附；氧掺杂通过引入如羰基、羧基、酯基和羟基等含氧基团，材料表面的极性得到提升，从而通过氢键等作用力有效增强了与co2和vocs分子的相互作用。基于上述发现，本发明的发明人完成了本发明。

3、具体地，本发明一方面提供了一种氧-氮共掺杂的多孔碳材料，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的c含量为80-92at%，n含量为3-12at%，o含量为4-15at%，总比表面积为100-900m2/g。

4、优选地，所述氧-氮共掺杂的多孔碳材料的n和o的总含量为9-22at%。

5、优选地，所述氧-氮共掺杂的多孔碳材料的总比表面积为450-750m2/g。

6、优选地，所述氧-氮共掺杂的多孔碳材料的微孔比表面积为260-400m2/g，介孔比表面积为150-250m2/g。

7、优选地，所述氧-氮共掺杂的多孔碳材料的n官能团包括吡啶氮、吡咯氮和石墨化氮。

8、本发明第二方面提供了一种氧-氮共掺杂的多孔碳材料的制备方法，该方法包括以下步骤：

9、（1）将含有碳源、氮源和水的混合物进行恒温预处理；

10、（2）将步骤（1）得到的混合物直接进行干燥；

11、（3）在含氧气氛下，使干燥后的固体在第一温度下进行氧化处理；

12、（4）在活化气体的存在下，使氧化处理后的固体在第二温度下进行活化处理；

13、其中，所述第二温度比所述第一温度高400-700℃，优选为480-600℃。

14、优选地，在所述方法的步骤（1）中，在所述含有碳源、氮源和水的混合物中，所述碳源与所述氮源的重量之比为1：0.5-2；

15、优选地，所述碳源为煤和/或生物质；

16、优选地，所述氮源为三聚氰胺、乙二胺四乙酸和乙二胺四乙酸钠中的至少一种。

17、优选地，在所述方法的步骤（1）中，所述恒温预处理的条件包括：温度为50-70℃，时间为2-6h。

18、优选地，在所述方法的步骤（2）中，所述干燥的过程使得干燥后得到的固体的含水量为0.1wt%以下。

19、优选地，在所述方法的步骤（3）中，所述氧化处理持续进行1-4h后进行后续的活化处理，升温至所述第一温度的升温速率为5-10℃·min-1。

20、优选地，在所述方法的步骤（3）中，所述第一温度为180-220℃。

21、优选地，在所述方法的步骤（4）中，所述活化处理持续进行1-4h，升温至所述第二温度的升温速率为5-10℃·min-1。

22、优选地，在所述方法的步骤（4）中，所述第一温度为600-850℃。

23、优选地，在所述方法中，所述活化处理的气氛含有30-50体积%的活化气体和50-70体积%的保护气体；

24、优选地，所述活化气体为co2和/或h2o；

25、优选地，所述保护气体为氮气和/或氩气。

26、本发明第三方面提供了由上述方法制备的氧-氮共掺杂的多孔碳材料。

27、本发明第四方面提供了上述氧-氮共掺杂的多孔碳材料在co2和/或挥发性有机化合物吸附过程中的应用。

28、按照本发明所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料，具有较高的比表面积，并含有丰富的多级孔道结构以及含氮官能团和含氧官能团，表现出较好的吸附co2和vocs的性能。

29、而且，本发明的氧-氮共掺杂的多孔碳材料即便在较低压力和较高温度下也能保持高效吸附，不仅拓宽了多孔碳材料的吸附温度范围，还提高了吸附选择性和吸附动力学性能，同时保持了良好的再生性。

30、按照本发明的氧-氮共掺杂的多孔碳材料的制备方法，对恒温预处理后的碳源和氮源的混合物在较低温度下进行氧化处理，然后升至较高温度并在活化气氛下进行活化处理，从而在一次升温活化过程中协同实现造孔、氮掺杂和氧掺杂，制备得到氧-氮共掺杂的多孔碳材料。该制备方法整合了掺杂和活化工艺，简化了多孔碳制备的整体流程，降低了生产成本，提高了生产效率。

技术特征：

1.一种氧-氮共掺杂的多孔碳材料，其特征在于，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的c含量为80-92at%，n含量为3-12at%，o含量为4-15at%，总比表面积为100-900m2/g。

2.根据权利要求1所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料，其特征在于，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的n和o的总含量为9-22at%。

3.根据权利要求1或2所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料，其特征在于，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的总比表面积为450-750m2/g。

4.根据权利要求3所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料，其特征在于，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的微孔比表面积为260-400m2/g，介孔比表面积为150-250m2/g。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料，其特征在于，该氧-氮共掺杂的多孔碳材料的n官能团包括吡啶氮、吡咯氮和石墨化氮。

6.一种氧-氮共掺杂的多孔碳材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（1）中，在所述含有碳源、氮源和水的混合物中，所述碳源与所述氮源的重量之比为1：0.5-2；

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，所述恒温预处理的条件包括：温度为50-70℃，时间为2-6h。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述干燥的过程使得干燥后得到的固体的含水量为0.1wt%以下。

10.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述氧化处理持续进行1-4h后进行后续的活化处理，升温至所述第一温度的升温速率为5-10℃·min-1。

11.根据权利要求6或10所述的方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述第一温度为180-220℃。

12.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述活化处理持续进行1-4h，升温至所述第二温度的升温速率为5-10℃·min-1。

13.根据权利要求6或12所述的方法，其特征在于，在步骤（4）中，所述第一温度为600-850℃。

14.根据权利要求6、12或13所述的方法，其特征在于，所述活化处理的气氛含有30-50体积%的活化气体和50-70体积%的保护气体；

15.由权利要求6-14中任意一项所述的方法制备的氧-氮共掺杂的多孔碳材料。

16.权利要求1-5和15中任意一项所述的氧-氮共掺杂的多孔碳材料在co2和/或挥发性有机化合物吸附过程中的应用。

技术总结本发明涉及吸附材料领域，公开了一种氧‑氮共掺杂的多孔碳材料及其制备方法和应用。该氧‑氮共掺杂的多孔碳材料具有高比表面积、丰富的多级孔道结构以及含氮官能团和含氧官能团，有利于二氧化碳和挥发性有机化合物的吸附。所述氧‑氮共掺杂的多孔碳材料的制备方法包括：将氮源和碳源经恒温预处理后，在较低温度下进行氧化处理，然后升至较高温度进行活化处理，从而在一次升温活化过程中协同实现造孔、氮掺杂和氧掺杂，整合了掺杂和活化工艺，简化了多孔碳制备的整体流程，降低了生产成本，提高了生产效率。技术研发人员：陈国庆,张文韬,郄志鹏,董月红,王泽受保护的技术使用者：国家能源集团科学技术研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9