[发明专利]一种纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳及其制备方法，以生物质焦油为碳前驱体，利用强碱或强碱盐为活化剂和制孔剂，胺类有机化合物为氮源，通过化学活化法和原位掺杂制备了氮掺杂多孔碳，随后再以生物质焦油为碳前驱体，对氮掺杂多孔碳进行二次刻蚀，利用氧化镁为模板剂、强碱或强碱盐为活化剂，即组合使用活化法和模板法，并通过后处理掺杂方式制备得到纳米碳球修饰的氮掺杂多孔碳材料。该方法工艺简单，成本低廉，为现有废弃的生物质焦油提供了高值化利用新渠道，同时也提供了优化碳材料孔结构的新技术。

技术领域

本发明属于多孔碳材料制备技术领域，具体涉及一种纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳及其制备方法。

背景技术

据国际能源署(IEA)测算，全球每年产生的生物质总量相当于850亿吨标准煤，储量丰富。与传统化石能源相比生物质能源是一种可再生的碳氢能源，具有“二氧化碳零排放”的优点，可以实现国家和国际绿色低碳，可持续发展的目标。当前生物质转化技术可分为物理转化、化学转化、生物转化三大类。生物质热化学转化技术是将生物质中大分子有机物热分解为CO、CH₄等小分子气体，进而获得生物质油、可燃气体等的一种高效转化方式。化学转化技术又可以分为直接燃烧、气化、液化和热解。由于生物质原料的本身特性，在生物质热化学转化过程中不可避免地会产生大量难处理的副产物生物质焦油。生物质焦油在常温下呈液态，对设备和仪器具有腐蚀性，易堵塞管路，燃烧时会产生碳颗粒，加重了除尘负担。生物质焦油降低了生物质的利用效率，严重制约了生物质间接液化和生物质气化技术的工业应用。

生物质焦油组分复杂，且会随工艺反应条件如温度、压力、与处理方式等变化。物理法，热化学法和等离子体法是目前处理生物质焦油常用的方法。物理法是先利用冷凝方式将生物质焦油分离，再利用除尘设备进行物理去除。虽然操作简单，但无法有效利用生物质焦油本身的能量，二次污染大。热化学处理过程是将生物质焦油在催化剂或高温下裂解为小分子可燃气体，通常对温度要求高，热解催化剂易失活。等离子体法是采用等离子火炬加热，使生物质焦油中大分子有机物分解的技术，其能耗高，对反应器要求苛刻，难以工业化应用。因此，寻找一种高效、清洁、经济、工艺简单且可以保留生物质焦油本身能量和性质的处理方法是解决生物质焦油处理，加速生物质能利用的关键。

将生物质能源利用后低价值的废弃物等转化为高附加值化学品是极具吸引力的高值化技术路线，生物质焦油具备优异的可塑、可调变性，在功能性固体碳材料制备方面表现出巨大潜力。多孔碳是指具有大小不一的孔径结构的碳材料，具有大比表面积，稳定性好、高导电率、发达的孔隙结构等优势。同时用以制备多孔碳的原料种类丰富，来源广泛，价格低廉，因此在诸多领域均有应用。但是原生碳材料本身性质仍具有不足之处，如表面润湿性差，活性低等，限制了其进一步发展。通过向碳原子晶格中引入杂原子，可以显著改善多孔碳材料的物理化学性质。氮原子具有与碳原子相似的原子半径，但截然不同的电子构型和电负性。因此在多孔碳材料结构中掺杂氮原子，在提高材料性能的同时实现最小的晶格失配。

目前，还未有将生物质焦油基进行氮掺杂来制备多孔碳的相关方法报道。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳及其制备方法，有效利用生物质焦油生产出具有发达孔隙结构的纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开的一种纳米碳球修饰的生物质焦油基氮掺杂多孔碳的制备方法，包括：

1)以生物质焦油作为碳源，以强碱或强碱盐作为活化剂，将生物质焦油、氮源、活化剂充分溶解分散在水中，干燥后在氩气气氛下高温热解，然后冷却、洗涤、干燥，得到氮掺杂多孔碳；

2)将氮掺杂多孔碳与模板剂研磨混合均匀，然后先加入生物质焦油研磨均匀，再加入活化剂继续研磨均匀，得到混合物；