[发明专利]一种由富氮生物质原料制备氮掺杂活性炭的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮掺杂活性炭的制备方法，更具体地涉及一种利用富氮生物质原料通过炭化、活化过程控制孔结构和表面化学以得到比表面积高、氮含量丰富的活性炭的方法，属于多孔炭材料制备技术领域。

背景技术

活性炭具有发达孔结构、高比表面积、大孔容、丰富的表面化学以及原料来源广、成本低等优点，已被广泛应用于气体吸附与分离，水净化、电极材料和催化剂等领域。影响活性炭应用性能的关键在于其具备较高的比表面积、适宜的孔径分布和适当的表面化学性质。这些特点主要取决于活性炭原料的性质和制备方法。

    近年来，氮掺杂活性炭材料日益受到关注，它不仅具有大比表面积，而且氮元素及其官能团的存在对材料的氢气吸附、二氧化碳吸附、电化学以及催化性能具有显著的促进作用。制备氮掺杂活性炭主要有两种方法：一种是从煤、焦炭、果壳、木材或秸秆等传统原料出发，先制备前驱体活性炭，然后在含氮活性气氛（如氨气）下或含氮溶液（如尿素、三聚氰胺溶液）浸渍后进行掺氮改性处理，如公开号为CN102553641A和CN103408007A的中国发明专利；另一种是直接以聚苯胺、尿醛树脂或聚吡咯等合成的富氮聚合物为原料，经炭化活化获得氮掺杂活性炭（J. Power Sources, 2010, 195, 1516–1521; Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 827–834）。但前者存在如下不足：掺氮后处理易对已形成的孔结构造成破坏，氮元素的引入只限于材料表面，而且氮掺杂量较小。而后者以化石资源为基础，也存在成本日益增加，原料不可持续的缺点。因此，开发可持续再生的廉价原料，探索经济高效的制备方法，获得高比表面积、高掺氮量的活性炭成为当务之急。

    与富氮的合成聚合物相比，天然的富氮生物质原料及其衍生物在制备氮掺杂活性炭方面开始受到青睐。富氮生物质往往含有丰富的蛋白大分子，热解后，依然有大量氮原子残留在碳骨架中，活化过程可以使材料在形成大量孔结构的同时，对表面进行进一步化学修饰，最终生成含氮丰富的氮掺杂活性炭材料。到目前为止，一些由富氮生物质制备氮掺杂活性炭的研究已见诸报道，原料包括豆渣、蛋清、蛋壳膜、蚕丝、鸡毛、头发、明胶等(Enery Environ. Sci., 2012, 5, 7323–7327; Enery Environ. Sci. 2013, 6, 871–878; Adv. Energy Mater., 2012, 2, 431–437; Adv. Energy Mater., 2012, 2, 431–437; Carbon, 2007, 45, 2116–2125; J. Power Sources, 2013, 225, 101–107; Electrochim. Acta, 2013, 113, 620–627; Electrochim. Acta, 2013, 107, 397–405; Enery Environ. Sci., 2014, 7, 379–386; J. Mater. Chem., 2012, 22, 19088–19093.），制得的炭材料在二氧化碳吸附、催化剂和电极材料等方面具有广泛的应用前景。

目前，以家畜的皮和软骨为原料，制备氮掺杂活性炭的研究鲜见报道，也未见公开的中国专利。鉴于这些原料中除一部分皮子用于制作皮革，小部分皮和软骨用于生产明胶外，大多数成为废料而未被有效利用，开发此类可再生资源制备高附加值的炭材料具有重要的经济和社会效益。本发明以富氮的蛋白质类生物质为碳前驱体，调控炭化、活化工艺，制备了大比表面积、高掺氮量的活性炭材料，为氮掺杂活性炭的制备提供了新的原料和方法，为家养禽畜的皮、毛和软骨等资源的高效利用开辟了新途径。本发明中制得的炭材料在二氧化碳吸附、甲烷吸附和超级电容器电极材料的应用中表现出了优良的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用天然的富氮生物质制备大比表面积、高掺氮量活性炭的方法。此方法以可持续再生的家养禽畜的皮、毛和软骨为前驱体，经炭化和活化过程，可同时实现孔结构调控和炭材料氮掺杂，为氮掺杂炭材料开发新的原料和制备工艺技术。

该发明的技术方案：一种由富氮生物质原料制备氮掺杂活性炭的方法，以富氮生物质原料为前驱体，在惰性气体保护下进行炭化，对炭化产物进行物理活化或化学活化或物理化学联合活化后得到氮掺杂活性炭。