[发明专利]一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型炭材料的制备方法，特别涉及一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用。

背景技术

炭材料具有化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点，广泛应用于能源、化工、环保、医药、电子和航空航天等诸多国民经济领域。不同化学组成、特殊形貌与结构的炭材料具有特定的功能，已成为世界范围的研究热点。

天然绿色生物质原料具有来源广泛、环境友好、形貌及碳质结构独特等特征。近年来，利用生物质原料制备多孔碳基材料的研究得到了广泛的关注。淀粉是一种来源广泛、价格低廉的可再生天然绿色碳源，采用一定的物理与化学方法对淀粉的分子结构、物理化学性质进行调变，再进行碳化与活化处理可以制备出具有特定形貌结构特征以及功能的活性炭材料。研究表明，氮原子掺杂的炭材料不仅可以强化自身特性，如改变调控表面结构、孔道结构、亲水性、电子传导速率等，还能扩大其应用范围，因此对炭材料进行氮掺杂改性成为了热门研究课题。

王成扬等以马铃薯淀粉为碳源，分别采用(NH₄)₂HPO₄、KOH、空气、磷酸、水蒸气为活化剂或稳定化剂制备了马铃薯淀粉基活性炭微球[J.Physics and Chemistry of Solids 70(2009)1256-126、电源技术38(2014)658-671、物理化学学报28(2012)1906-1912、新型炭材料25(2010)438-443、电源技术38(2014)1051-1054、材料导报B27(2013)100-103]。王成扬等以玉米淀粉为碳源、通过在(NH₄)₂HPO₄溶液中的浸泡预处理，再进行KOH的活化与碳化处理制备出多孔层次结构的活性炭微球应用于超级电容器[Bioresource Technology 139(2013)406-409]。Du等[Bioresource Technology 139(2013)406–409]以多孔淀粉为碳源，通过碳化活化制备出分层多孔炭微球，并将其应用于超级电容器电极。Ma等[Bioresource Technology 197(2015)137-142]以马铃薯残渣为碳源、三聚氰胺为氮源，采用ZnCl₂活化法制备出氮掺杂活性炭，并将其应用于超级电容器电极。Wang等[international journal of hydrogen energy 40(2015)16230-16237]以木薯粉为碳源制备了氮掺杂多孔炭，并用于铝-空气电池。Toshiki Tsubota等[J.Power Sources 267(2014)635-640]以淀粉为碳源，分别以三聚氰胺聚磷酸盐、三聚氰胺聚硫酸盐、磷酸脒基脲等为掺杂剂、制备出氮、磷、硫掺杂的炭材料并应用于电容器。

发明专利[申请公布号CN102689875A]公开了“一种微生物处理的超级电容器用炭材料的制备方法”，该发明采用了小麦淀粉、玉米淀粉、红薯淀粉、木薯淀粉、马铃薯淀粉、绿豆淀粉、菱角淀粉或藕淀粉为碳源，先将淀粉发酵，再对发酵料进行碳化与活化处理制备出用于超级电容器的活性炭材料。发明专利[申请公布号CN101525132A]公开了“一种超级电容器用活性炭及其制备方法”，该发明采用氧化交联淀粉、接枝共聚淀粉、可溶性淀粉或木薯淀粉为碳源，用氢氧化钾为活化剂，通过高温碳化与活化制备出所需的活性炭材料。发明专利[申请公布号CN105236406A]公开了“一种超级电容器用球形活性炭的制备方法”，该发明采用薯类淀粉、豆类淀粉或果实类淀粉为碳源，将淀粉与催化剂的水溶液混合均匀后经喷雾干燥得到混合物，再进行碳化与活化处理制备出淀粉基活性炭微球。发明专利[申请公布号CN105236408A]公开了“一种连续多级孔道活性炭的制备方法”，该发明通过碳化淀粉与碱溶液的混合物制备出连续多级孔道活性炭材料。发明专利[申请公布号CN102583318A]公开了“一种制备氮掺杂分级孔多孔炭微球的方法”，该发明以商品化多孔淀粉为原料，以铵盐(如氯化铵、硫酸铵或硝酸铵)为氮源，制备出了氮掺杂多孔炭微球。

迄今为止，还未见到采用糊化、水热、碳化与活化工艺，制备出氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的相关文献及专利的报导。

发明内容