[发明专利]一种以多孔含氮聚合物为前体制备氮掺杂碳材料及其应用

说明书

本发明属于多孔氮掺杂碳材料领域。具体涉及一种以多孔含氮聚合物为前体制备氮掺杂碳材料及其在二氧化碳吸附中的应用。其是以氮杂环单体通过傅克烷基化反应制备的超交联的微孔聚合物，利用索氏提取除去催化剂FeCl₃，干燥后的固体用碱性溶液浸渍，蒸干溶剂后焙烧得到碳材料。本发明所采用的氮掺杂多孔碳材料与其他常见的碳材料相比，比表面积高、微孔数量丰富，并且氮原子能够均匀地分布在碳材料中，并且碳前体的制备过程简单、廉价易得，过程绿色清洁，操作简单高效，可控性强，碳材料形貌可调，可大规模生产。该材料在二氧化碳吸附领域表现出良好的吸附性和CO₂/N₂选择性，具有重要的工业应用前景。

技术领域

本发明属于多孔氮掺杂碳材料领域。具体涉及一种以多孔含氮聚合物为前体制备氮掺杂碳材料及其在二氧化碳吸附中的应用。

背景技术

由于化石燃料燃烧所造成的二氧化碳气体的过量排放，引发了温室效应，导致了海平面上升、全球变暖、极地气候恶化等一系列生态恶化现象，使得地球的生态和环境都面临严重的威胁。就现状而言，我们需要通过控制大气中二氧化碳排放量来稳定目前大气中CO₂的浓度。工业中引领当前二氧化碳吸附技术的是液氨吸附法，这种方法在进行液体循环时要消耗大量的能量，能耗高。而采用固体吸附剂吸附分离的方法具有能耗低，速率快，经济性等优点，因此制备具有高的二氧化碳吸附性能的固体吸附剂，并将其合理工业化，是应对目前温室气体过度排放的策略。理想的吸附剂应当具有原料廉价易得、制备简便、稳定性较好，二氧化碳吸附量高以及可循环利用等优点。目前已经报道的二氧化碳固体吸附剂有胺功能化的二氧化硅材料、沸石分子筛、活性炭、多孔有机聚合物、金属有机框架材料以及其他新型碳材料等。

作为人类最早认识的功能材料之一，碳材料的制备和应用伴随着文明的发展经历了悠久的历史。由于碳材料具有无毒无害，廉价易得，稳定性优异、材质和结构上可调变性以及容易再生等的优点，已被广泛用于二氧化碳捕获研究。然而，碳材料目前对二氧化碳的选择性不高。考虑到二氧化碳分子的电荷共振性以及二氧化碳分子与氮气分子的直径的微小差异，可以通过提高碳材料的表面极性及增加微孔结构来提高CO₂/N₂选择性。由于各种常见无机非金属元素在电负性上(N＝3.04，B＝2.04，P＝2.19，S＝2.58，Cl＝3.16，Br＝2.96，I＝2.66)与碳元素(C＝2.55)的差异，被掺入碳晶格中的杂原子能够在其自身以及邻近的碳原子上创造出带有正/负电荷的载荷中心，进而成为活性物种的结合位点。至今为止，氮元素相关的研究进行的最为深入，且有不少文献报道掺杂氮的碳材料能够使二氧化碳吸附性能提高，由此考虑对碳材料进行氮掺杂并研究氮元素对其二氧化碳吸附性能的影响。