[发明专利]以废弃烟头为碳源制备的氮掺杂碳催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种以废弃烟头为碳源制备的氮掺杂碳催化剂及其制备方法和应用，属于催化剂技术领域。其技术方案为：以重量计，氮掺杂碳催化剂包括以下成分：85‑92％的三维多孔碳骨架、3‑10％的掺杂于碳层中的氮原子以及4‑8％的氧原子。本发明以废弃烟头为碳源，原位氮掺杂后增加其表面积和氮含量，制备了一种氮掺杂碳非金属催化剂，与传统的活性炭对比，显示出了优异的活性；废弃烟头随处可得且其污染环境，对其处理后不仅减轻了对环境的破坏，还得到了绿色经济的高效催化剂。

技术领域

本发明涉及催化剂技术领域，具体涉及一种以废弃烟头为碳源制备的氮掺杂碳催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

聚氯乙烯(PVC)是世界五大合成塑料之一，且其生产中能大量消耗氯气，促进了氯碱工业的发展。据报道其世界年生产量已经达到了3800万吨，而氯乙烯单体的合成是聚氯乙烯生产的关键技术之一，目前世界上的氯乙烯合成技术有两大类，即乙烯氧氯化法和乙炔氢氯化法。我国石油资源匮乏，煤炭储量相对丰富，据报道，我国2007年乙炔法合成聚氯乙烯产量在国内PVC行业中占总量的70％以上，而国内生产的电石有近80％都用于生产PVC。因此，乙炔法仍有很大的发展前景。

目前,在乙炔氢氯化反应中应用最广泛的是传统HgCl₂/AC催化剂，早已实现工业化。虽然其活性与选择性在反应中都达到了非常理想的效果，但是在工业应用中它仍然存在很多缺陷。首先，由于汞离子是物理吸附在活性炭孔道内壁上的，所以其热稳定性很差，在80℃时就有少量氯化汞开始升华流失，120℃后升华速率加快，超过160℃后升华速率直线上升，致使催化活性下降，氯化汞的消耗量增加。其次，生产中氯化汞分解后产生的汞易升华，进入大气污染环境，且易被人体吸入，危害人类健康。基于汞的危害，许多科研工作者致力于寻找替代汞的催化剂，其中贵金属催化剂金、钯、钌等展现出了良好的催化活性。但金属催化剂价格昂贵，在反应中易失活导致催化剂使用寿命缩短。

基于上述催化剂存在的不足和水俣公约发行将禁汞这一工作提上日程，PVC行业的发展迫使研制出一种高活性、高稳定性、高选择性的绿色环保型非金属催化剂，这也符合绿色化学的发展方向。

近年来，氮掺杂碳催化剂在乙炔氢氯化领域显示出了非凡的热度。许多研究表明，氮的含量的物种会显著影响催化剂的催化性能。反应过程分为五部，分别是乙炔的吸附，氯化氢吸附，氯化氢活化，产物氯乙烯的生成和从催化剂上脱附。由于乙炔比氯化氢的结合能更强，所以反应从吸附乙炔开始。目前，关于氮掺杂碳催化剂中发挥主要作用的是哪一类氮物种，不同的课题组持有不同的看法。主要分为吡咯氮、吡啶氮和石墨氮，也有少部分人认为四季氮也是活性位点之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种以废弃烟头为碳源制备的氮掺杂碳催化剂及其制备方法和应用，以废弃烟头为碳源，原位氮掺杂后增加其表面积和氮含量，制备了一种氮掺杂碳非金属催化剂，与传统的活性炭对比，显示出了优异的活性；废弃烟头随处可得且其污染环境，对其处理后不仅减轻了对环境的破坏，还得到了绿色经济的高效催化剂。

第一方面，本发明提供了一种以废弃烟头为碳源制备的氮掺杂碳催化剂，以重量计包括以下成分：85-92％的三维多孔碳骨架、3-10％的掺杂于碳层中的氮原子以及4-8％的氧原子。

优选地，三维多孔碳骨架中，多孔碳的平均孔径为0.5-5nm，比表面积为300-1000m²/g，具有丰富的微孔和中孔结构。

优选地，所述氮掺杂碳催化剂中含有微量金属。

优选地，所述微量金属为Ti、Cd及As。

第二方面，本发明还提供了上述氮掺杂碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：

1)收集废弃烟头，将其过滤嘴洗涤后烘干，于惰性气氛中，对过滤嘴表面进行碳化，得到中间产物；