[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

说明书

本发明公开了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。制备方法为：首先选用葡萄糖作为碳源，硫脲作为氮源和硫源，在水溶液中均匀混合，之后通过水热法制备氮硫共掺杂的碳球前驱体，并使用化学活化法制备氮硫共掺杂的多孔碳球；将氮硫共掺杂的多孔碳球添加到聚合物基质中制得均一铸膜液，采用溶液流延法制得基于氮硫共掺杂的多孔碳球的混合基质膜。本发明氮硫共掺杂多孔碳球的制备方法简单；含氮位点可以与CO₂发生酸碱相互作用，含硫位点改变碳球的极性，氮硫共掺杂增强了混合基质膜对CO₂的亲和性，将该混合基质膜应用于CO₂/N₂分离，打破了聚合物膜选择性和渗透性的“trade‑off”效应，综合性能优异。

技术领域

本发明涉及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，属于化学工程膜分离技术领域。

背景技术

随着全球能源需求不断增长，化石能源大量燃烧，排放的二氧化碳造成了各种生态环境问题，对人类的生存环境造成了破坏。为了尽早实现碳中和，需要一项高效的CO₂捕集分离技术，混合基质膜在烟道气分离中的占有重要地位。具有合适的无机填料和聚合物基质的混合基质膜可以获得优异的气体分离性能，突破气体渗透性与选择性之间的“trade-off”效应，突破Robeson上限。Weigelt等(Polymers, 2018, 10(1): 1-21.)制备了聚酰亚胺/活性炭混合基质膜，结果表明活性炭的添加使CO₂渗透性获得了提高，但是活性炭与聚合物基质之间相容性较差，混合基质膜CO₂/N₂选择性略有降低。Heidari等(Sep.Purif. Technol., 2019, 209: 503-15.)高温热解酚醛树脂前体，将其球磨转化为细颗粒，再经过臭氧处理进行氧掺杂与活化，制备氧掺杂的碳材料，添加到聚二甲基硅氧烷溶液中制得混合基质膜，结果发现氧掺杂的混合基质膜具有较高CO₂渗透性和CO₂/CH₄选择性。Zhao等(J. Membr. Sci., 2018, 564： 800-805)通过添加包含腈基(CN)的离子液体到自聚微孔聚合物中制备得混合基质膜，再经过热处理后制得氮硫共掺杂多孔碳/自聚微孔聚合物混合基质膜，由于氮元素的成功掺杂与丰富的多孔结构，混合基质膜获得了好的分离性能。文献表明，含杂原子（如氮、硫、氧等）碳材料的掺杂对于混合基质膜的CO₂渗透性能有明显的改善。

发明内容

本发明制备了基于氮硫共掺杂多孔碳球的混合基质膜，是一种简单、高效、环境友好的制备氮硫共掺杂多孔碳球混合基质膜的方法。制备的混合基质膜应用于CO₂/N₂分离，具有高的CO₂渗透系数和CO₂/N₂分离因子。

本发明采用廉价易得的葡萄糖作为碳源，富含硫、氮元素的硫脲作为硫源与氮源，依次通过水热法和化学活化法制备氮硫共掺杂的多孔碳球，增加混合基质膜对CO₂的亲和性，将该氮硫共掺杂的多孔碳球引入到聚合物基质中制备得高性能的混合基质膜。

本发明中，使用葡萄糖作为碳源，硫脲作为硫源与氮源，首先通过水热法制备氮硫共掺杂碳球，之后采用化学活化法制备具有多孔结构的氮硫共掺杂多孔碳球。所制备的氮硫共掺杂多孔碳球具有高的微孔率与高的比表面积，含有氮硫CO₂亲和位点，引入混合基质膜中使混合基质膜的CO₂渗透系数与CO₂/N₂选择性提高。

上述制备方法中，包括以下步骤：