[发明专利]一种氮掺杂有序介孔碳催化材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂有序介孔碳催化材料及其制备方法和应用，具体步骤为：1）有序介孔碳聚合物的制备；2）预氧化；3）快速碳化：将经过预氧化的样品移至700~900℃的管式炉中，惰性气氛下碳化15min；4）KOH刻蚀碳化：将快速碳化后的样品与KOH按质量比1:1混合，于管式炉中在惰性气氛下700～900℃焙烧2h，自然冷却后，用1M HCl溶液中和，然后水洗至中性，60℃干燥8~12h，得到氮掺杂有序介孔碳催化材料。所述氮掺杂有序介孔碳N‑OMP具有体心立方的介观结构，在选择性催化氧化H₂S方面表现出良好的催化活性和选择性。

技术领域

本发明涉及一种环境催化剂的制备技术及其应用领域，具体涉及一种氮掺杂有序介孔碳催化材料及其制备方法和应用。

背景技术

由于H₂S是一种有毒的污染物并且会破坏环境，因此在过去的数十年里，从炼油厂原油和天然气产业产生的H₂S中回收硫引起了相当大的关注。目前最常用的技术是Claus硫回收工艺，即从含硫的气体中回收硫单质。大多数的Claus工艺使用H₂S、CO₂和H₂O作为主要成分，以N₂、NH₃和烃类化合物为第二组分。由于Claus平衡反应的热力学限制，在排放的尾气中仍然存在约4%的H₂S。为进一步去除残留的H₂S，人们发展了将H₂S选择性氧化成单质硫的技术。反应式如下所示：（反应式（1）为主反应，反应式（2）和（3）为副反应）

H₂S + (1/2)O₂ → (1/n)S_n + H₂O （1）

(1/n)S_n + O₂ → SO₂ （2）

H₂S + (3/2)O₂ → SO₂ + H₂O （3）

反应（1）是不可逆的，且没有任何平衡限制。然而硫的产率主要取决于催化活性，就是硫单质还可以继续被氧化生成二氧化硫或者H₂S被完全氧化生成SO₂（反应式（2）和（3））。因此，这个过程需要兼具高活性和优良选择性的催化剂。

选择性催化氧化硫化氢为单质硫，不仅能消除H₂S的危害，还能回收催化产生的单质硫，是一种环境友好、低成本和绿色经济的技术手段。然而，活性炭丰富的微孔结构致使其孔容较小，不利于催化产物单质硫的传输和存储，故活性炭的穿透硫容局限在0.2-0.8gH₂S/g 催化剂；而且，活性炭的超微孔对硫具有很强的吸附作用，再生后的硫容仅为首次的60%。

随着新型碳质材料如碳纳米管、有序介孔碳等的不断涌现，为无金属炭催化脱硫研究带来了新的发展方向。大量活性炭脱硫的应用研究启示我们，提高硫容的关键在于提高催化材料的反应活性和产物硫的存储空间。碳纳米管具有独特的一维结构，且石墨化程度较高，一定湿度下，H₂S解离的HS^-离子易于在其表面快速迁移，具有较好的氧化脱硫性能；但受限其比表面积小，饱和硫容最高仅达到1.86g H₂S/g催化剂。介孔碳具有较大的中孔孔隙，有利于硫的存储；同时通过氮掺杂可提高材料的表面碱性，增加碳边缘位和缺陷位的数量，强化H₂S的吸附解离，增强其催化能力。氮掺杂介孔碳的穿透硫容可提高至2.77g H₂S/g催化剂。但介孔碳材料的制备方法复杂，合成技术要求高，不易实现工业化生产。因此，亟待开发一种制备方法简便、产物结构可控、适于规模化生产的含氮介孔碳。

发明内容