[发明专利]高氮掺杂木质素基多孔碳及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高氮掺杂木质素基多孔碳及其制备方法，该高氮掺杂木质素基多孔碳是以木质素、尿素、氯化锌和碱式碳酸镁为原料经煅烧后制备得到。本发明中，以木质素为碳源，使得氮元素更容易掺杂进入到木质素基多孔碳中，从而有利于提高木质素基多孔碳中的氮含量。相比其他碳源制成的氮掺杂多孔碳，本发明中以木质素为原料时能够制备得到氮含量高的木质素基多孔碳，具有原料来源广、成本低廉、氮含量高、比表面积大等优点，有着较高的应用价值和较好的应用前景。本发明制备方法，具有工艺简单、操作方便、制备条件温和可控、成本低廉等优点，能实现高氮掺杂木质素基多孔碳的一步法制备，且能实现木质素基多孔碳氮含量和比表面积的可调制备。

技术领域

本发明属于生物质碳材料领域，涉及一种高氮掺杂木质素基多孔碳及其制备方法。

背景技术

碳材料具有价格低廉、孔隙发达、导电性好、性能稳定、易于表面改性、孔径大小可调、形态多样等特点，能广泛应用于电极材料、催化材料和吸附材料等领域。目前，制备碳材料的原料多来源于石油化工原料，且通常需要先碳化后活化，存在制备工艺复杂、成本高的问题。

随着全球经济的快速发展，利用可再生的生物质作为碳源代替日益枯竭的化石资源已经成为新的重要发展方向。木质素作为含量仅次于纤维素的可在再生自然资源，全球每年木质素产量高达7000万吨；同时木质素碳含量高达60％，能作为多孔碳前驱体，这对于制备低成本、高比表面积的多孔碳材料具有十分重要的意义。掺杂多孔碳材料能提高其在电极材料和催化材料方面的利用性能，如，氮掺杂多孔碳表现出高电容和高催化活性，且氮掺杂还能改善多孔碳材料的物理化学特性，致使其对重金属离子吸附性能提高。然而，现有氮掺杂多孔碳仍然存在氮含量较低的缺陷，且现有制备方法中难以制备得到氮掺杂量高的氮掺杂木质素基多孔碳，这极大的限制了氮掺杂多孔碳的广泛应用。另外，现有木质素基多孔碳的制备方法存在工艺复杂、成本高、难以实现比表面积可调等问题。因此，获得一种原料来源广、成本低廉、氮含量高、比表面积大的高氮掺杂木质素基多孔碳以及与之相匹配的工艺简单、操作方便、制备条件温和可控、成本低廉的制备高氮掺杂木质素基多孔碳的方法，对于提高高氮掺杂木质素基多孔碳的使用价值和应用范围具有十分重要的意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种原料来源广、成本低廉、氮含量高、比表面积大的高氮掺杂木质素基多孔碳，还提供了一种工艺简单、操作方便、制备条件温和可控、成本低廉的制备高氮掺杂木质素基多孔碳的方法，且该制备方法能实现高氮掺杂木质素基多孔碳一步法制备，且通过改变制备条件能实现木质素基多孔碳氮含量和比表面积可调。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高氮掺杂木质素基多孔碳，所述高氮掺杂木质素基多孔碳是以木质素、尿素、氯化锌和碱式碳酸镁为原料经煅烧后制备得到。

上述的高氮掺杂木质素基多孔碳，进一步改进的，所述尿素与木质素的质量比为0.5～2∶1；所述氯化锌、碱式碳酸镁和木质素的质量比为1∶1～5∶1。

上述的高氮掺杂木质素基多孔碳，进一步改进的，所述高氮掺杂木质素基多孔碳中氮元素的质量含量为5.78％～7.46％；所述高氮掺杂木质素基多孔碳的比表面积为1094.5m²/g～1342.5m²/g。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种高氮掺杂木质素基多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

S1、将木质素、尿素、氯化锌和碱式碳酸镁混合，研磨，得到混合原料；

S2、将步骤S1中得到的混合原料进行煅烧，得到碳化粉末；

S3、将步骤S2中得到的碳化粉末浸泡在酸溶液，洗涤至中性，干燥，得到高氮掺杂木质素基多孔碳。

上述的制备方法，进一步改进的，所述步骤S1中，所述尿素与木质素的质量比为0.5～2∶1；所述氯化锌、碱式碳酸镁和木质素的质量比为1∶1～5∶1。