[发明专利]一种氮掺杂中空碳球及其制备方法与应用

说明书

本发明涉及一种氮掺杂中空碳球及其制备方法与应用，属于有机/无机杂化材料技术领域。解决了现有技术中的二氧化碳捕获固体吸附剂成本高、合成工艺复杂、应用受限的技术问题。本发明的氮掺杂中空碳球以含氮间苯二酚甲醛树脂包覆二氧化硅纳米球，经碳化得到二氧化硅核心碳球，再经KOH和g‑C₃N₄增强孔隙度和氮掺杂活化得到活化二氧化硅核心碳球，再用HF去除硅核。该氮掺杂中空碳球粒径均匀，具有独特的中空结构，较大的BET表面积，分级孔隙率，且碳壳上暴露丰富的的吡啶N位点，可增强氮位的可及性，有利于客体的质量迁移，有利于与CO₂气体之间的相互作用力，对多元气体中的CO₂具有高效的选择性捕集。

技术领域

本发明属于有机/无机杂化材料技术领域，具体涉及一种氮掺杂中空碳球及其制备方法与应用。

背景技术

随着国家科技技术的不断发展和环境保护要求的不断提高，二氧化碳(CO₂)排放量的控制已成为工业生产过程和全球能源利用不可避免的问题。温室效应是当前人类面临的最严重的问题之一，对环境影响具有潜在的破坏性。大气中不断积累的二氧化碳是温室效应的主要“贡献者”。二氧化碳的排放主要由工业中化石燃料燃烧不可避免地产生，因此控制和减少二氧化碳的排放成为学术界和工业界的至关重要的任务。为此，提出了碳捕集与固定(CCS)作为解决方案，作为CCS的第一步，通过湿式洗涤工艺广泛实现了CO₂的捕集，在该工艺中，通常将水性有机胺(例如单乙醇胺，甲基二乙醇胺和哌嗪)用作液体吸收剂。然而，胺洗涤方法因所使用的液体吸收剂的高挥发性和强腐蚀性的缺陷不受广泛认可。另外，液体溶剂的热容量高，再生期间所消耗的能量也高。因此，寻找新的材料或方法策略来替代液体吸附剂或胺净化过程以捕获CO₂至关重要。

在现有的选择中，多孔材料的吸附能力是有目共睹的，同时多孔材料不存在挥发性和腐蚀问题，并且相对容易再生。近年来，人们致力于开发更好的二氧化碳捕集固体吸附剂来作为胺基吸附剂的理想替代品。固体吸附剂必须具有比表面积高、热稳定性好、孔结构和吸附位置可控的特性。不少学术界人士对各种固体多孔材料的表征，如多孔聚合物、沸石、和结晶金属有机框架等，及其对CO₂的吸附性能的测试研究。然而，我们发现这些吸附剂的开发和应用由于成本高、合成工艺复杂而受到一定的限制。因此，探索一种低成本，易产业化的固体吸附剂用于高效二氧化碳选择性捕集利用来替代原有的的液体吸收剂以及胺浸渍材料具有迫切需求。

在以往的研究中，一直存在的“矛盾”是，三维中空结构可以显著改善特定区域，促进反应物的质量运输，但不利于活性位点的暴露，而微孔结构则对其产生相反的作用。因此，优化碳基的适用结构可以在降低质量扩散障碍的同时，增加特殊活性位点的暴露。此外，控制不同碳材料中氮掺杂的含量和构型仍然是一个巨大的挑战，在各个研究领域中，氮掺杂对提高碳材料的性能起着至关重要的作用。

发明内容

本发明为解决现有技术中的二氧化碳捕获固体吸附剂成本高、合成工艺复杂、应用受限的技术问题，提供一种氮掺杂中空碳球及其制备方法与应用。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供一种氮掺杂中空碳球的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将氨水加入到乙醇和去离子水的混合溶剂中，搅拌均匀，得到混合液；

步骤二、在持续搅拌下，将正硅酸四乙酯(TBOT)加入混合液中，5-15min后加入间苯二酚，5-15min后加入甲醛，5-15min后加入乌洛托品(HMTA)，搅拌均匀后，固化，离心，洗涤，真空干燥，得到棕色聚合物(SiO₂@RF)；

步骤三、在惰性气体保护下，将棕色聚合物碳化，得到二氧化硅核心碳球；