[发明专利]一种利用等离子体制备掺氮炭和含氮杂环的方法

说明书

本发明属于生物质利用领域，公开了一种利用等离子体制备掺氮炭和含氮杂环的方法，包括以下步骤：S1：将生物质与活化剂混合；S2：在氨气气体、等离子体条件下进行反应得到热解挥发份；S3：在催化剂作用下对热解挥发份中进行环化提质反应得到固体产物和含氮杂环挥发份；S4：将含氮杂环挥发份冷却得到富集有含氮杂环产品的液体油；将固体产物酸洗、水洗及干燥处理后得到多孔掺氮炭材料。本发明在反应过程中引入等离子体，利用等离子体促进氨气分解为含氮自由基团，强化自由基团与生物质热解中间体反应，及自由基团与活化剂的协同作用，从而促进含氮产品的形成，实现利用生物质制备高选择性含氮杂环和高性能掺氮炭的目的。

技术领域

本发明属于生物质利用领域，更具体地，涉及一种利用等离子体制备掺氮炭和含氮杂环的方法。

背景技术

生物质作为地球上唯一含碳可再生资源，将其转化为高价值的化学品和炭材料是未来可持续发展的必然趋势。通过热解，可以直接将生物质转化为液体油和生物炭，但由于生物质原料自身的复杂组成，导致液体油的组分复杂，品质较低，生物炭的物化特性也有待提高，因此直接热解难以实现生物质高值化利用。

生物质具有高含氧、高活性的特点，若在其热解过程中引入氨气，则氨气能够和含氧官能团反应，形成丰富的含氮化合物，特别是含氮杂环产品，如吡咯、吡啶、吲哚等，它们是制备药物、香料、染料等的重要化工原料。而目前工业上制备这些含氮产品的方法主要是通过氨气与石油基或煤基的产品进行反应合成，反应过程复杂且难度大，因而成本较高。如果能够利用生物质与氨气反应制备含氮化学品，则可以极大地降低生产成本，且反应的固体产物掺氮炭，也是一种性能优异的炭材料，已经被广泛的用作电极材料、催化剂、吸附剂、肥料等。

生物质与氨气反应制备含氮产品的关键是促进生物质热解中间体与氨气及其含氮自由基反应，然而由于氨气自身的稳定性较好，很难直接分解形成大量的含氮自由基团，因此通常反应速率较低，导致含氮产品的产率较低，即液体油中含氮产物选择性较低，掺氮炭中的氮含量不高，严重影响其后续高值化利用，从而降低了生物质的利用率。

综上所述，为了实现生物质能的高值高效利用，亟需寻找绿色、高效、低成本制备高选择性含氮杂环产品及高性能的掺氮炭材料的方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种利用等离子体制备掺氮炭和含氮杂环的方法，其中通过对方法的整体流程设置、关键反应条件等进行改进，在反应过程中引入等离子体，利用等离子体促进氨气分解为含氮自由基团，强化自由基团与生物质热解中间体反应，及自由基团与活化剂的协同作用，从而促进含氮产品的形成，实现利用生物质制备高选择性含氮杂环和高性能掺氮炭的目的，显著提高了生物质利用价值，能够解决了生物质制备含氮产品过程中反应速率低的问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种利用等离子体制备掺氮炭和含氮杂环的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将粉碎干燥后的生物质与活化剂进行充分机械混合，得到反应原料；

S2：将步骤S1得到的所述反应原料放入等离子体反应腔中，在通入氨气气体、且反应温度为400℃～600℃、等离子体功率为50W-200W的条件下进行反应，反应时间为10min～60min，反应中利用等离子体促进氨气和所述生物质的分解，强化氨气与所述活化剂的协同作用，促进生物质充分活化掺氮，并得到热解挥发份；

S3：将步骤S2获得的热解挥发份通入另一等离子体反应腔中，在催化剂作用下，对这些热解挥发份中的含氮化合物进行环化提质反应，反应温度为400℃～600℃，等离子体功率为50W-200W，反应时间为10min～60min，反应得到固体产物和含氮杂环挥发份；

S4：将步骤S3反应得到的含氮杂环挥发份冷却，即可得到富集有含氮杂环产品的液体油；将步骤S2反应得到的固体产物冷却，即可得到掺氮炭初产品，接着，对该掺氮炭初产品进行酸洗、水洗及干燥处理后，即可得到多孔掺氮炭材料。