一種氮含量可控的多孔炭材料及其製備方法與流程
2023-10-20 22:23:57 1
本發明涉及一種氮含量可控的有良好的二氧化碳吸附分離性能的多孔炭材料及其製備方法。
(二)
背景技術：
近幾十年來，隨著化石燃料的過度消耗，溫室氣體如CO2等大量排放，引起了日益嚴峻的環境問題，對可持續發展產生了嚴重的阻礙。因此，尋找有效捕獲二氧化碳的材料是當前一個嚴峻的任務。目前用於二氧化碳捕獲的技術主要包括以下幾類：溶液吸附，膜分離吸附技術和固體介質吸附技術。在工業上，胺溶液吸附技術已經被廣泛應用於二氧化碳的吸附，但是這種方法可存在很多缺點：對儀器設備腐蝕性高，價格比較昂貴，溶液易揮發和降解，吸附劑再生耗能大。因此，多孔固體介質吸附劑由於其具有發達的孔隙結構，孔徑可調，製備簡單，性質穩定等優點受到了廣泛關注。其中，多孔炭材料具有較大的比表面積和較高的孔隙率，對二氧化碳具有很高的吸附性能。然後，普通炭材料對二氧化碳的吸附量以及CO2/N2的選擇性吸附係數不高，從而限制了此類材料只能在富含二氧化碳氣氛中使用。為了進一步提高炭材料對二氧化碳吸附和分離能力，通過氮摻雜能提高炭材料對二氧化碳吸附分離的性能，因為鹼性的含氮基團對酸性的二氧化碳分子具有很強的相互作用，因此對炭材料進行氮負載的研究受到越來越廣泛的關注。
含氮炭材料一般通過後處理和直接碳化含氮物質得到。後處理方法一般是將多孔炭材料在含氮的介質中發生反應得到含氮炭材料，最常用的含氮介質是NH3。通過把多孔炭放在NH3氣氛中進行高溫煅燒就能得到含氮多孔炭。Przepiorski以商業活性炭為原料，通過在不同溫度下進行氨氣處理得到含氮炭材料(Przepiorski J.Enhanced adsorption of phenol from water by ammonia-treated activated carbon[J].Journal of Hazardous Materials,2006,135(1-3):453-456)，結果顯示炭材料表面主要含有亞胺基、氰基以及含氮的雜環基團。但是，該法製備的含氮炭材料中的含氮基團不穩定，且會導致孔結構的坍塌，從而限制了其在實際中的應用。然後，含氮炭材料直接碳化製備炭材料就能克服上述缺點。山西煤化所的李開喜等人將丙烯腈與N,N-亞甲基雙丙烯醯胺混合後，加入偶氮二異丁腈作為引發劑，再加入二甲基亞碸反應得到填充聚合的毫米級聚丙烯腈樹脂球，最後高溫煅燒得到含氮多孔炭(李開喜，孫亞慧，一種CO2吸附用毫米級聚丙烯腈基球狀活性炭的製備方法，專利公開號：104310395B)。但是，該法製備炭材料的孔隙結構比較少，從而影響了其二氧化碳吸附性能。華東理工大學的詹亮等人以胺類、醛類有機物為原料，在表面活性劑的作用下，通過一步法製備了孔隙發達的含氮多孔材料，具有優異的二氧化碳吸附分離性能(詹亮，王豔莉，馮軍偉，喬文明，凌立成，適用於二氧化碳吸附的球形富氮微孔樹脂的合成方法，專利公開號：102430396B)。
為了進一步製備孔隙發達的含氮炭材料，KOH活化是一種有效的方法。山西煤化所的李開喜等人將三聚氰胺、甲醛和F127或P123反應固化得含氮預聚物，高溫炭化後將炭化物與KOH混合後活化製備孔隙發達的含氮炭材料(李開喜，萬柳，一種高效吸附CO2的活性炭的製備方法，專利公開號：104310396A)，其二氧化碳吸附性能還有待提高。
(三)
技術實現要素：
本發明目的是提供一種氮含量可控、有良好的二氧化碳吸附分離性能的多孔炭材料及其製備方法。
本發明採用的技術方案是：
一種氮含量可控的多孔炭材料，由如下方法製備：
(1)將腺嘌呤和葡萄糖溶解於去離子水中，每30mL去離子水加入0.5～4g腺嘌呤和0.5～4g葡萄糖，然後裝入反應釜中，100～200℃下反應6～24小時後，自然冷卻到室溫；
(2)收集步驟(1)產物，洗滌、過濾，在50～100℃真空乾燥，製得碳前驅體；
(3)將步驟(2)前驅體與活化劑KOH按質量比1:1～1:4球磨混合，在惰性氣體保護下於400～800℃條件下煅燒1～5小時，冷卻後，洗滌、過濾，乾燥，得到所述氮含量可控的多孔炭材料。
所述多孔炭材料可通過改變合成條件可以控制炭材料的含氮量和孔隙結構。在製備過程中，提高腺嘌呤的用量可以增加炭材料中的含氮量；另外，改變活化溫度和活化劑用量也能調控炭材料的含氮量以及孔隙結構。
本發明還涉及製備所述多孔炭材料的方法，所述方法包括：
(1)將腺嘌呤和葡萄糖溶解於去離子水中，每30mL去離子水加入0.5～4g腺嘌呤和0.5～4g葡萄糖，然後裝入反應釜中，100～200℃下反應6～24小時後，自然冷卻到室溫；
(2)收集步驟(1)產物，洗滌、過濾，在50～100℃真空乾燥，製得碳前驅體；
(3)將步驟(2)前驅體與活化劑KOH按質量比1:1～1:4球磨混合，在惰性氣體保護下於400～800℃條件下煅燒1～5小時，冷卻後，洗滌、過濾，乾燥，得到所述氮含量可控的多孔炭材料。
優選的，步驟(2)中乾燥溫度為50～100℃，操作時間10～24小時。
所述步驟(1)炭材料的製備方法為水熱合成的方法製備前驅體，合成溫度為100～200℃；合成時間為4～12小時。
所述步驟(2)乾燥溫度為50～100℃；操作時間在10～24小時可調。；
所述步驟(3)水熱反應得到的聚合物，通過KOH活化的方法製備含氮炭材料，通過改變合成條件可以控制炭材料的含氮量和孔隙結構。
在298K和273K下對二氧化碳具有良好的吸附分離性能。分離性能的測試具體操作過程為：
(1)稱取0.05～0.2g左右樣品放入樣品管中，在真空條件200℃下脫氣12h，冷卻後精確稱取樣品質量，通過計算得到有效質量。
(2)將樣品管裝入到儀器中，選擇二氧化碳或氮氣在298K的吸附程序，用計算機監視炭材料在不同相對壓力下對二氧化碳或氮氣的吸附情況。然後通過計算得出炭材料對CO2/N2的吸附分離係數。
本發明所提供的炭材料及製備方法的有益效果主要體現在：
(1)合成簡單，成本較低。採用水熱合成法，可以在短時間內得到較高產率的產物。
(2)通過改變合成條件可以控制炭材料的表面化學性質和孔隙結構。通過改變反應物的比例、煅燒溫度，活化比例等條件可以得到不同含氮量，不同比表面積的炭材料。
(3)炭材料在298K和273K下對二氧化碳具有良好的吸附分離性能，具有一定的應用前景。
(四)附圖說明
圖1為本發明的具體實施例1的NPC-1-600炭材料的SEM圖。
圖2為本發明的具體實施例1的NPC-1-600炭材料在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖。
圖3為本發明的具體實施例1的NPC-1-600炭材料在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖。
圖4為本發明的具體實施例2的NPC-1-700炭材料的SEM圖。
圖5為本發明的具體實施例2的NPC-1-700炭材料在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖。
圖6為本發明的具體實施例2的NPC-1-700的炭材料在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖。
圖7為本發明的具體實施例3的NPC-1-800炭材料的SEM圖。
圖8為本發明的具體實施例3的NPC-1-800炭材料在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖。
圖9為本發明的具體實施例3的NPC-1-800的炭材料在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖。
(五)具體實施方式
下面結合具體實施例對本發明進行進一步描述，但本發明的保護範圍並不僅限於此：
實施例中，對所述炭材料的二氧化碳吸附性能測試是在Quantachrome公司物理吸附儀(Autosorb-iQ2sorptometer)上進行的，具體操作過程為：
1)稱取0.05～0.2g左右樣品放入樣品管中，在真空條件200℃下脫氣12h，冷卻後精確稱取樣品質量，通過計算得到有效質量。
2)將樣品管裝入到儀器中，選擇二氧化碳或氮氣在298K的吸附程序，用計算機監視炭材料在不同相對壓力下對二氧化碳或氮氣的吸附情況。然後通過計算得出炭材料對CO2/N2的吸附分離係數。
實施例1：
1.將1g腺嘌呤和2g葡萄糖溶解在30mL去離子水中，轉入水熱反應釜中，在180℃反應，反應時間為6小時。
2.將產物收集，抽濾、洗滌、在70℃真空乾燥，製得含氮前驅體。
3.把前驅體與KOH按質量比1:1球磨混合，在氬氣保護下於600℃條件下煅燒2小時，升溫速率3℃/min，冷卻後，酸洗，水洗，乾燥，得到具有良好二氧化碳吸附分離能力的含氮多孔炭材料NPC-1-600。
獲得NPC-1-600炭材料的SEM圖參見圖1，在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖參見圖2，在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖參見圖3。
由圖可見，NPC-1-600炭材料經過活化後在表面形成了很多孔洞結構，說明KOH活化能在材料表面刻蝕出孔隙結構。從氮氣吸附-脫附等溫線可以看出，在低壓下炭材料有很高的氮氣吸附量說明有大量的微孔存在，而且隨著壓力的增大，吸附量呈飽和趨勢，說明該炭材料以微孔為主，有利於對CO2的吸附。從孔徑分布圖中看出，孔徑主要集中在0.6nm，亞微米孔徑對CO2吸附具有極大的提升作用。根據炭材料在0℃和25℃下對CO2的吸附等溫線，可以看出該炭材料具有很高的CO2吸附容量，其吸附量分別為4.4mmol/g和6.7mmol/g，比大部分炭材料的性能優異。
實施例2：
1、將1g腺嘌呤和2g葡萄糖溶解在30mL去離子水中，轉入水熱反應釜中，在180℃反應，反應時間為6小時。
2、將產物收集，抽濾、洗滌、在70℃真空乾燥，製得含氮前驅體。
3、把前驅體與KOH按質量比1:1球磨混合，在氬氣保護下於700℃條件下煅燒2小時，升溫速率3℃/min，冷卻後，酸洗，水洗，乾燥，得到具有良好二氧化碳吸附分離能力的含氮多孔炭材料NPC-1-700。
獲得NPC-1-700炭材料的SEM圖參見圖4，在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖參見圖5，在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖參見圖6。
由圖可見，NPC-1-700炭材料經過活化後在表面形成了很多孔洞結構，且比NPC-1-600炭材料的孔洞大，說明提高活化溫度有利於刻蝕出更多更大的孔隙結構。從氮氣吸附-脫附等溫線可以看出，在低壓下炭材料有很高的氮氣吸附量而且吸附量比NPC-1-600炭材料的高，說明有大量的微孔存在而且微孔逐漸增大，隨著壓力的增大，吸附量呈飽和趨勢，說明該炭材料以微孔為主，然後吸附等溫線的拐點向壓力大的方向偏移，說明孔徑開始逐漸變大，從孔徑分布圖中也看出孔徑主要集中在0.6nm和1.2nm，比NPC-1-600炭材料的孔徑大。根據炭材料在0℃和25℃下對CO2的吸附等溫線，可以看出該炭材料具有較高的CO2吸附容量，其吸附量分別為4.0mmol/g和6.2mmol/g。
實施例3：
1、將1g腺嘌呤和2g葡萄糖溶解在30mL去離子水中，轉入水熱反應釜中，在180℃反應，反應時間為6小時。
2、將產物收集，抽濾、洗滌、在70℃真空乾燥，製得含氮前驅體。
3、把前驅體與KOH按質量比1:1球磨混合，在氬氣保護下於800℃條件下煅燒2小時，升溫速率3℃/min，冷卻後，酸洗，水洗，乾燥，得到具有良好二氧化碳吸附分離能力的含氮多孔炭材料NPC-1-800。
獲得NPC-1-800炭材料的SEM圖參見圖7，在77K的氮氣吸附-脫附示意圖以及對應的孔徑分布圖參見圖8，在273K和298K的二氧化碳吸附示意圖參見圖9。
由圖可見，NPC-1-800炭材料經過活化後在表面形成了很多凹槽結構，說明活化溫度太高容易把孔洞結構破壞。從氮氣吸附-脫附等溫線可以看出，在低壓下炭材料有很高的氮氣吸附量而且氮氣吸附量繼續增大說明有微孔繼續增多，然後吸附等溫線的拐點繼續向壓力大的方向偏移，說明孔徑繼續增大，從孔徑分布圖中也看出孔徑主要集中在1.2nm，比NPC-1-600和NPC-1-700炭材料的孔徑都大，孔徑較大不利於對CO2的吸附。根據炭材料在0℃和25℃下對CO2的吸附等溫線，可以看出該炭材料的CO2吸附容量比前兩個樣品低，其吸附量分別為3.6mmol/g和5.9mmol/g，說明增加活化溫度能提高炭材料的孔隙數量，但是導致了孔徑變大，反而不利於CO2的吸附。