[发明专利]具有良好二氧化碳吸附分离性能的含氮炭材料及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种含氮炭材料的制备方法及对二氧化碳的吸附分离，具体说的是通过改变合成条件制备不同含氮量的多孔炭材料，并具有良好的二氧化碳吸附分离性能。

背景技术

由于化石燃料的过度使用，大气中温室气体二氧化碳的浓度比工业革命前增加了30%左右，导致了严重的环境污染及温室效应。寻找能够有效捕获CO₂的方法成当务之急。目前用于二氧化碳吸附的技术主要包括以下几类：溶液吸附，低温吸附，膜分离吸附技术和固体介质吸附技术。工业上广泛应用的是胺的水溶液吸附技术，尽管这种方法可以有效捕获二氧化碳但也存在致命缺点：腐蚀性高，造价高，易挥发和降解，吸附剂再生非常耗能。多孔炭材料具有大比表面积和高孔隙率，可以用于对CO₂的吸附。但炭材料对CO₂/N₂的选择性吸附系数不高，因此限制了此类材料只能在富含二氧化碳气氛中使用。为了提高炭材料对二氧化碳吸附分离能力，对材料进行N氮负载的研究受到越来越广泛的关注。

Wei等利用富含氮元素的豆粕为原料，通过KOH活化制备多孔活性炭(Xing W，Liu C,Zhou Z,Zhang L,Zhou J,Zhuo S,et al.Energy&Environmental Science.2012;5(6):7323.)，在1atm和25℃下，CO₂的吸附量达到4.24mmol/L。研究表明，CO₂的吸附量与含N量有直接关系。Sevilla等以吡啶为原料合成聚吡咯，再通过与KOH活化制备含氮炭材料(Sevilla M,Valle-Vigón P，Fuertes A B.Advanced Functional Materials.2011;21(14):2781-2787.)，在1atm和25℃下，CO₂的吸附量达到3.9mmol/L。研究表明，CO₂的吸附量与含氮量有直接关系。研究表明，掺杂氮元素可以提高材料对CO₂/N₂选择性吸附性能。

以活性炭为炭源，为了提高炭材料中的含氮量，我们通过聚合，煅烧的方法制备一系列多孔炭材料，以吡咯为氮源，通过控制反应条件可以得到不同含氮量的炭材料，并研究了材料对二氧化碳的吸附分离性能。

发明内容

本发明涉及一种含氮炭材料的制备方法及对二氧化碳的吸附分离，具体说的是通过改变合成条件制备不同含氮量的多孔炭材料，并具有良好的二氧化碳吸附分离性能。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

含氮炭材料，可按如下步骤制备，

1）将活性炭和吡咯溶解于去离子水(每100mL去离子水中加入1～10g活性炭和1～20g吡咯)，再加入2-10g过硫酸铵，反应温度为20-80℃，反应时间为4～10小时，自然降温到室温。

2）将产物收集，抽滤、洗涤、在50～100℃真空干燥，制得炭前驱体。

3）把前驱体在气体保护下于400～800℃条件下煅烧1-5小时，冷却后，洗涤，干燥，得到具有良好二氧化碳吸附分离性能的含氮多孔材料。

所述步骤1）炭材料的制备方法为催化聚合，其中活性炭与吡咯按质量比(0.5～2)添加；合成温度为20～80℃；合成时间为4～10小时。

所述步骤2）干燥温度为50～100℃；操作时间在10～24小时可调；

通过聚合的方法制备活性炭和聚吡咯的复合物，通过高温煅烧的方法制备含氮炭材料。通过控制合成条件可以控制炭材料的含氮量。

在273K下对二氧化碳具有良好的吸附分离效果。

对所述含氮炭材料进行二氧化碳吸附分离性能测试，具体操作过程为:

1）称取0.1g左右样品，在真空条件下200℃下、脱气12h，冷却后精确称取样品质量。

2）称取样品质量后放入仪器中，选择二氧化碳在273K的吸附程序，用计算机监视炭材料在不同相对压力下对二氧化碳的吸附、脱附情况。然后通过计算算出炭材料对CO₂/N₂的吸附分离系数。

3）称取样品质量后放入仪器中，选择氮气在273K的吸附程序，用计算机监视炭材料在不同相对压力下对氮气的吸附、脱附情况。

本发明所提供的炭材料及制备方法具有如下优点：

1.合成简单，成本较低。采用催化聚合，可以在短时间内得到具有较高产率的产物。