[发明专利]一种以硝酸锌为活化剂制备氮掺杂多孔碳材料的方法

说明书

本发明提出一种以硝酸锌为活化剂制备用于二氧化碳吸附的氮掺杂多孔碳材料的方法，以琼脂为碳源材料，碳化后使用硝酸锌进行活化，同时利用硝酸锌中所含的氮元素实现对碳材料的氮掺杂。本发明提出的制备方法简化了氮掺杂多孔碳材料的制备步骤，在活化反应的过程中完成对碳的氮掺杂；同时所制备的氮掺杂碳材料具有发达的多孔结构，作为二氧化碳的吸附剂材料具有良好的吸附特性。

技术领域

本发明属于多孔碳材料的制备与应用技术领域，尤其涉及一种以硝酸锌为活化剂的氮掺杂多孔碳材料的制备方法。

背景技术

大气层中二氧化碳浓度的持续上升引起了越来越广泛的关注。二氧化碳作为主要的温室气体，大气层中浓度过高会引起气温升高与各种气候变化。化石类能源的消耗是二氧化碳的主要排放源，但这种现状在短期内很难得到改变。在这种背景下，使用碳捕集与封存技术控制大气中二氧化碳浓度的持续上升具有重要的意义。使用多孔材料对二氧化碳经由物理吸附进行捕集存储具有重大的研究价值，其过程可逆性好、安全性高，且吸附剂易于再生(ChemSusChem 10(2017)1303-1317)。多孔碳材料具有发达的多孔结构、良好的热稳定性与化学稳定性，且成本低廉，为应用最为广泛的多孔材料之一。使用氮、硫、磷等元素对碳材料进行掺杂，能进一步丰富与提高碳材料的功能性，具有更高的应用潜力与更广阔的应用前景(Energy Environ.Sci.6(2013)2839–2855)。氮掺杂碳材料应用于二氧化碳吸附具有特殊的优势，主要是由于氮掺杂可以在碳材料中形成碱性吸附位，可以选择性的吸附二氧化碳，增强吸附时与二氧化碳分子之间的相互作用(J.Mater.Chem.A 4(2016)17299-17307)。

氮掺杂多孔碳材料一般可以通过以下两种方法制备：一是使用含氮有机物作为起始材料直接进行碳化或者活化处理。例如耿保友等(专利申请号：201910395693.1)以硝酸锌与2-甲基咪唑为反应物通过液相反应先制备沸石咪唑型金属有机框架材料ZIF-8，再以ZIF-8为前驱体、利用原材料中2-甲基咪唑所含有的氮元素通过高温处理制备氮掺杂碳材料。但是ZIF-8的制备过程复杂、耗时较多，且需经过多步后处理，作为碳源的有机物种类也有着严格的限制。二是使用氨气、尿素等含氮化合物与碳源同时碳化或者在碳化后进行高温后处理(J.Mater.Chem.A 1(2013)999-1013)。其中第二种制备方法具有更好的通用性，可适用于多种不同的有机物作为起始材料进行制备。例如张亚非等(专利申请号：201610112736.7)将葡萄糖等与硝酸锌先通过液相过程形成氧化锌与薄碳层复合前驱体，再经过碳化处理制备氮掺杂石墨烯材料。该方法利用的是硝酸锌分解之后形成氧化锌的模板作用而非活化作用，同时所使用的有机物种类主要限于不同糖类有机物。选择合适的材料作为氮掺杂的氮源、简化制备过程，仍然是制备氮掺杂碳材料需要重点考察的问题。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以硝酸锌为活化剂制备氮掺杂碳材料的方法，简化常规的后处理制备方法的制备过程。同时所制备的碳材料具有高比表面积特性，具有良好的二氧化碳吸附性能。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为；

一种以硝酸锌为活化剂制备用于二氧化碳吸附的氮掺杂多孔碳材料的方法，包括以下步骤：

(1)取琼脂粉末至于管式炉中，惰性气氛保护下升温至500℃并恒定2小时，碳化处理之后自然冷却至室温；

(2)取步骤(1)得到的碳化产物，与六水合硝酸锌研磨后均匀混合；

(3)研磨后的混合物置于管式炉，惰性气氛保护下升温至800-950℃活化处理2小时，之后自然冷却至室温；

(4)活化后的产物先使用盐酸进行清洗，之后再用去离子水重复清洗；

(5)清洗后的材料干燥，得到最后的产物。

优选地，步骤(2)中所述六水合硝酸锌与步骤(1)所得碳化产物的质量比为2.0-6.0。