一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法及其应用

本发明属于碳材料，涉及一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法及其应用。

背景技术：

1、目前，为解决大量二氧化碳对环境和气候造成的严重影响，二氧化碳捕集技术的研究十分受重视。二氧化碳捕集技术的关键是开发具有良好吸附效果的吸附剂。近年来，一些多孔材料如活性炭、沸石分子筛和金属有机骨架材料被研究和应用于二氧化碳吸附。多孔碳材料因为具有较大的比表面积和孔体积，因而有利于对co2进行物理吸附。对多孔碳材料的表面进行化学修饰，添加适合于吸附co2的活性位，能增强多孔碳材料的化学吸附能力，文献报道胺类等含氮基团的引入，能够改变多孔炭的表面化学性质，并有利于增强对co2的吸附能力。

2、针对于二氧化碳吸附和含氮多孔碳材料的开发，发明人进行了一系列研究：如cn201710364105.9通过在有机湿凝胶制备一步加入lino3、kno3和k2so4组成的混合低共熔盐得到比表面积高、孔径分布范围窄、孔容积大、对二氧化碳的吸附能力较强的微孔碳气凝胶。cn201911004675.2涉及一种基于聚天冬氨酸盐的含氮多孔碳材料的制备方法及其应用，将聚天冬氨酸盐放入炭化炉中在抽真空条件下炭化，制得黑色含氮碳材料，经过酸洗得到含氮多孔碳材料，本发明所提供的方法得到的含氮多孔碳材料比表面积大，氮原子和孔径分布更加均匀。以上方法为制备比表面积大、孔容积大、孔径分布集中、吸附能力强、氮原子分布均匀的碳材料提供了参考。

3、但上述方案中存在产率低等问题，为促进二氧化碳吸附多孔碳材料的实际应用，提供比表面积大、孔容积大、孔径分布集中、孔分布均匀和吸附能力强的多孔碳材料的高效制备方法具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，该方法具有良好的产率和性能良好的产物。

2、为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明第一方面提供了一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，具有以下步骤：

4、s1：将间苯二酚、聚天冬氨酸钾、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶溶于蒸馏水中搅拌10~60分钟，然后加入海泡石粉，在常温下超声震荡30~60分钟，最后加入甲醛水溶液，密封，继续超声震荡1~3小时，得到凝胶产物；

5、s2：将得到的凝胶产物进行干燥处理，得到中间体；

6、s3：将得到的中间体进行炭化处理，得到黑色产物；

7、s4：将得到的黑色产物进行酸洗和水洗，干燥后得到氮氧共掺杂纳米多孔碳材料；

8、所述间苯二酚、聚天冬氨酸、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶和海泡石粉的质量之比为2.2~4.5：2.4~4.4：0.7~1.3：0.8~1.3：1.1~3.2。

9、作为本发明的进一步改进，s1所述间苯二酚、聚天冬氨酸、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶和海泡石粉的质量之比为3：3：1：1：2。

10、作为本发明的进一步改进，s1所述蒸馏水质量是间苯二酚、聚天冬氨酸、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶、海泡石粉和甲醛水溶液总质量的40~60倍。

11、作为本发明的进一步改进，s1所述甲醛与间苯二酚的摩尔比为2.5~3：2，所述甲醛水溶液的质量分数为35~40%。

12、作为本发明的进一步改进，s2所述干燥处理为：将s1得到的凝胶产物置于冷冻干燥箱中，-60~-100℃冷冻干燥36~72小时。

13、作为本发明的进一步改进，s3所述炭化处理为：将s2冷冻干燥后的产物置于保护气氛围的马弗炉中，以2~4℃/min的升温速率从室温升温至300~700℃，保温0.5~1.5小时，继续以5~8℃/min的升温速率升至800~1000℃，保温1~3小时后，以3~8℃/min的速率降温至300~700℃，然后自然冷却至室温。

14、作为本发明的进一步改进，所述保护气为氮气或氩气，保护气通入速率为20~30ml/min。

15、作为本发明的进一步改进，s4所述酸洗和水洗处理为：将s3所得黑色产物置于hf水溶液中搅拌6~18小时后进行抽滤，并用蒸馏水清洗3次。

16、作为本发明的进一步改进，所述hf水溶液浓度为0.5~1.5m，hf水溶液的体积与加入的s3所得黑色产物的质量之比为80~120ml：1g。

17、本发明第二方面提供一种所述制备方法得到的氮氧共掺杂纳米多孔碳材料在二氧化碳吸附领域的应用。

18、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

19、1、加入海泡石粉、聚乙烯和4-二甲氨基吡啶，三者协同作用，促进原料反应，提高产物产率。

20、2、聚天冬氨酸钾和海泡石粉的加入，控制纳米材料的尺寸、形貌和结构。

21、3、本发明的制备方法，产率高，所得产物具有较大的表面积以及良好的二氧化碳吸附性能。

技术特征：

1.一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，具有以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s1所述间苯二酚、聚天冬氨酸、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶和海泡石粉的质量之比为3：3：1：1：2。

3.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s1所述蒸馏水质量是间苯二酚、聚天冬氨酸、聚乙烯醇、4-二甲氨基吡啶、海泡石粉和甲醛水溶液总质量的40~60倍。

4.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s1所述甲醛与间苯二酚的摩尔比为2.5~3：2，所述甲醛水溶液的质量分数为35~40%。

5.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s2所述干燥处理为：将s1得到的凝胶产物置于冷冻干燥箱中，-60~-100℃冷冻干燥36~72小时。

6.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s3所述炭化处理为：将s2冷冻干燥后的产物置于保护气氛围的马弗炉中，以2~4℃/min的升温速率从室温升温至300~700℃，保温0.5~1.5小时，继续以5~8℃/min的升温速率升至800~1000℃，保温1~3小时后，以3~8℃/min的速率降温至300~700℃，然后自然冷却至室温。

7.根据权利要求6所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述保护气为氮气或氩气，保护气通入速率为20~30ml/min。

8.根据权利要求1所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，s4所述酸洗和水洗处理为：将s3所得黑色产物置于hf水溶液中搅拌6~18小时后进行抽滤，并用蒸馏水清洗3次。

9.根据权利要求8所述的一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法，其特征在于，所述hf水溶液浓度为0.5~1.5m，hf水溶液的体积与加入的s3所得黑色产物的质量之比为80~120ml：1g。

10.一种如权利要求1~9任一项所述制备方法得到的氮氧共掺杂纳米多孔碳材料在二氧化碳吸附领域的应用。

技术总结本发明涉及一种氮氧共掺杂纳米多孔碳材料的制备方法及其应用，具有以下步骤：将间苯二酚、聚天冬氨酸钾、聚乙烯醇、4‑二甲氨基吡啶溶于蒸馏水中搅拌10~60分钟，然后加入海泡石粉，在常温下超声震荡30~60分钟，最后加入甲醛水溶液，密封，继续超声震荡1~3小时，得到凝胶产物；将得到的凝胶产物进行干燥处理，得到中间体；将得到的中间体进行炭化处理，得到黑色产物；将得到的黑色产物进行酸洗和水洗，干燥后得到氮氧共掺杂纳米多孔碳材料。该发明所得多孔碳材料比表面积大、吸附能力强，所述制备方法反应产率高。技术研发人员：王莎莎,任斌,张利辉,许跃龙受保护的技术使用者：河北省科学院能源研究所技术研发日：技术公布日：2024/9/12