[发明专利]一种由生物质热解碳化制备含氮碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及含氮碳材料制备领域，特别涉及一种由生物质热解制备含氮碳材料的方法。

背景技术

生物质是自然界存在最多、分布最广的一类重要的有机化合物，主要由碳、氢、氧所组成。随着全球范围内煤和石油资源的消耗和污染问题的日益严重，人们寻找一种可再生的、洁净能源的需求越来越迫切。相比于化石能源，生物质能源具有分布广、总量大、无污染、可再生的特点。此外，废弃蛋白、城市有机垃圾等废弃物大量流失，未得到有效利用，造成极大的资源浪费和环境污染。生物质资源是有机碳的唯一可持续来源，也是唯一可以转化为液体燃料的可再生资源。生物质热解尤其是快速热解可以得到高附加值的液体燃料和化学品，被认为是利用生物质的最有效的方式之一。在生物质热解过程中一般会伴随产生大量具有芳香类的固体物质，我们称之为生物质碳。通常，生物质碳归属为黑碳。

土壤有机质(SOM)是土壤肥力的重要的指标，也是陆地生态系统中碳汇的主要来源之一。大量研究表明，生物质碳的施用可提高土壤肥效，增加作物产量，在土壤中施加生物质碳，可以培肥土壤，提高SOM，持久保留土壤中的养分，主要取决于生物质碳用量及稳定性，比表面积及多孔性促使生物质碳吸附SOM(土壤有机质)，催化活性小的有机分子聚合形成SOM，促进土壤团聚体的形成。另外，其生物稳定性可促进土壤腐殖质的形成，构筑土壤肥力。此外，生物质碳还可有效调节土壤中N、P、K等营养元素的循环，提高土壤保水保肥能力。

碳材料结构的多样化以及其优良的储能、吸附、负载、催化等性能，吸引了许多学者的关注和研究，近年来，碳材料由于其结构的多样化以及其优良的储能、吸附、负载和催化等性能，使得其已在环保、化工、航天、生物医学等诸多领域得到广泛应用。然而纯碳材料仍然具有某些方面的缺陷。近些年来，含氮碳材料的研究日益增多。与纯碳材料相比，含氮碳材料超级电容器、场发射器件方面显示出广阔的应用前景。此外，含氮碳材料的表面具有活性位点，使含氮碳材料表现出良好的亲水性，作为功能型材料，氮掺杂碳材料更显示出强大的吸附优势，在催化剂负载、药物传递方面有潜在应用。

此前，我们在专利“由有机材料催化热解制备含氮芳香类化合物的方法”(PCT/CN2013/080639)和“一种高选择性制备吡咯的方法”(CNl03554001A)中报到了利用催化热解的方法制备含氮芳香类化合物。与此同时，催化热解过程中会伴随产生大量的含氮生物质碳。本发明主要介绍通过热解技术制备含氮碳材料的方法。

发明内容

本发明的一个实施方案提供一种由生物质热解制备含氮碳材料的方法，所述方法包括以下步骤：

将催化剂与生物质按照一定的比例混合均匀；

将催化剂与生物质原料一起进料至反应器，在所述反应器中，在含反应性氮化合物气体的存在下，在加热条件下，使所述生物质有机材料在含反应性氮化合物气体的条件下发生热解碳化反应，并保持一段时间；

收集热解反应后残留的固体物，获得含氮碳材料。

在本发明的一个实施方案中，在收集热解反应后残留的固体物之前，将催化剂与热解过程中产生的固体分离。

在本发明的一个实施方案中，生物质包括木糖醇、木糖、木聚糖、葡萄糖、纤维二糖、纤维素、淀粉、半纤维素、壳聚糖、甲壳素、蔗糖、果糖、木材、甘蔗渣、毛竹、玉米秸杆、废弃纸张、油菜籽饼、小桐子饼、饼粕、酒糟、废弃蛋白、微藻、塑料废料、再生塑料、农业和城市固体废物、食品废物、动物废物、碳水化合物、木质纤维材料以及它们的组合。

在本发明的一个实施方案中，含反应性氮化合物气体为含有氨气、甲胺或乙胺等，或它们的任意组合的气体。

在本发明的一个实施方案中，所述反应器中的反应温度为200℃至1000℃，优选250℃至900℃，更优选300℃至850℃，最优选300℃至800℃。

在本发明的一个实施方案中，含氮碳材料的产率大于5％，优选大于10％，再优选大于15％，再优选大于20％，再优选大于25％，再优选大于30％，再优选大于35％，再优选大于40％，再优选大于45％，再优选大于50％，再优选大于55％，再优选大于60％，再优选大于65％，再优选大于70％，再优选大于75％，。

在本发明的一个实施方案中，所述含氮碳材料中氮的含量的增加大于1％，优选大于2％，优选大于3％，优选大于4％，优选大于5％，优选大于6％，优选大于7％，优选大于8％，优选大于9％，优选大于10％，优选大于11％，优选大于12％，优选大于13％，优选大于14％，优选大于15％。