[发明专利]一种基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法及应用

权利要求书

1.一种基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：选用葡萄糖作为碳源，硫脲作为氮源和硫源，首先通过水热法制备氮硫共掺杂的碳球前驱体，然后利用化学活化法制备氮硫共掺杂多孔碳球，再将氮硫共掺杂多孔碳球引入聚合物基质中，使用溶液流延法制备具有氮硫共掺杂多孔碳球的混合基质膜。

2.根据权利要求1所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球的混合基质膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1) 氮硫共掺杂多孔碳球的制备：取葡萄糖与硫脲在水溶液中混合均匀，然后在20～50 KHz的频率、20～90°C的温度下超声0.5～12 h至分散均匀，然后将混合溶液置于聚四氟乙烯内衬的水热釜中，在100～200°C下水热反应8～24 h，将产物用蒸馏水洗涤3~5次，在60°C的真空烘箱中干燥24 h，得到氮硫共掺杂的葡萄糖碳球前驱体，命名为产物A；将产物A与活化剂添加到去离子水中混合均匀，其中产物A在去离子水中的质量分数为2~45%，在120°C的真空烘箱中干燥12 h，将干燥后的产物研磨置于陶瓷舟中，在管式炉内500～800°C氮气保护下恒温1～3 h，用去离子水洗涤至中性，置于60°C的真空烘箱中干燥24 h，研磨后将得到的氮硫共掺杂的多孔碳球记为产物B；

(2) 基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备：将产物B加入到制膜所需的溶剂C中，在频率为20～50 KHz、温度为20～90°C的条件下超声0.5～12 h至分散均匀，命名为溶液D；之后将聚合物基质加入到溶液D中，采用磁力搅拌器在温度范围为20～80°C、转速范围为100～2000 rpm、机械搅拌2～24 h至聚合物完全溶解，静置脱泡12～48 h，得到铸膜液E；用涂膜器将铸膜液E均匀的涂覆在干净的玻璃板或聚四氟乙烯板上，控制湿膜的厚度为300～1500 μm，然后将涂膜后的玻璃板或聚四氟乙烯板放置在25～80°C的真空烘箱中真空干燥12～48 h，再在80～150°C的真空烘箱中干燥8～48 h；将去除溶剂后的膜从玻璃板或聚四氟乙烯板揭下，妥善保管待用。

3.根据权利要求2所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，葡萄糖在水溶液中的质量分数为3～15%，葡萄糖与硫脲的质量比为1：(0.5～2)。

4.根据权利要求2所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，所用的活化剂为氢氧化钾、氢氧化钠、草酸钾、氯化锌的一种。

5.根据权利要求2所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，产物A与活化剂的质量比为1：(0.5～2)。

6.根据权利要求2所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所用的溶剂C为N,N-二甲基乙酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮、四氢呋喃中的一种；步骤(2)中，所述的聚合物基质的种类为聚醚嵌段酰胺、磺化聚醚醚酮、聚酰亚胺、醋酸纤维素、聚二甲基硅氧烷中的一种；其中产物B与聚合物基质的质量比为(0.01～0.1)：1；聚合物基质与溶剂C的质量比为（0.02～0.15）：1。

7.根据权利要求2所述的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的制备方法，其特征在于：所制备的混合基质膜的干膜厚度为20～200 μm。

8.一种权利要求1~7任一项所述的方法制得的基于氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜在分离CO₂中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：气体分离性能测试采用恒压变体积法，膜渗透的有效面积为10～100 cm²，扫气采用H₂，扫气流速为10～100 mL/min，进料气流速为10～60 mL/min，原料侧和渗透侧的流量用流量计测得，渗透侧组分含量由气相色谱测试；测试温度为20～100°C，压差为0.1～1.5 MPa。