[发明专利]利用生物质制备高含氮多孔炭材料的方法、产品及其应用

说明书

本发明公开了一种利用生物质制备高含氮多孔炭材料的方法及、产品及其应用，制备过程如下：将生物质粉碎干燥后，与活化剂均匀混合后在氨气气份下进行快速热解，活化剂与生物质废弃物反应刻蚀炭骨架形成发达孔隙结构，同时也产生大量的空穴，氨气中的氮原子快速占据空穴，形成丰富的活性含氮官能团(吡啶‑N、吡咯‑N、季‑N和吡啶‑N‑氧化物)，进而富集大量氮元素于热解炭中；且氨气自身作用、活化剂与氨气的协同作用，也会促进焦炭孔隙和含氮官能团的形成，最终形成具有丰富活性含氮官能团的功能型高含氮多孔炭材料，其在催化剂、吸附剂、电极材料等领域都具有广泛的应用前景，从而实现了生物质的高附加值利用。

技术领域

本发明涉及生物质利用领域，具体涉及一种利用生物质制备高含氮多孔炭材料的方法及其产品。

背景技术

生物质是一种重要的可再生能源，它不仅有望取代日渐枯竭的化石燃料，还可以用来制备大量的化学品。生物质经过简单的热解可以得到生物炭材料，其可用于土壤改良，包括碳封存、土壤肥力改良、污染治理等。但是由于生物炭具有较小的比表面积，及不够发达的活性官能团，很难加以高附加值利用。然而通过对生物炭进行活化改性处理，则可以得到具有发达孔隙特性及丰富活性官能团的功能型炭材料，可以应用于电池、燃料电池、超级电容器的电极材料，气体的分离与存储，催化剂等领域。

引入活性官能团的方法主要是通过引入杂原子进行生物炭结构中，目前研究较多的是引入氮原子进入生物炭骨架中，形成功能型掺氮炭材料。由于含氮官能团的存在，掺氮炭材料表现出优异的阴离子吸附能力、良好的热稳定性、很好的酸性气体的吸附能力等，这使得其在燃料电池、超级电容器、催化剂、吸附剂等领域有更加广阔的应用空间。但目前的掺氮炭材料的制备工艺往往需要活化、掺杂改性等多步复杂的操作过程，使得掺氮炭价格较高，难以广泛应用，且掺氮炭中的含氮量很难精确的控制，难以得到较高含氮量的掺氮炭材料。

因而，亟需寻找一种利用生物质简单、廉价、高效地制备功能型的高含氮且具有发达孔隙结构的多孔炭材料，以满足国内的大量需求。

发明内容

针对以上缺陷和改进需求，本发明旨在提出一种利用生物质制备高含氮多孔炭材料的方法，利用活化剂与生物质反应刻蚀炭骨架形成发达孔隙的同时，也产生大量的空穴，氨气中的氮原子快速占据空穴，从而富集大量氮元素于热解炭中，得到功能型高含氮多孔炭材料。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用生物质制备高含氮多孔炭材料的方法，包括如下步骤：

S1：将生物质废弃物粉碎至小于120目的颗粒后干燥处理；

S2：将步骤S1中的生物质废弃物与活化剂按质量比1:4～20:1充分混合，在氨气与惰性气体共同存在的气氛下对混合物进行富氮热解反应，活化剂与生物质废弃物反应刻蚀炭骨架形成发达孔隙的同时，也产生大量的空穴，氨气中的氮原子快速占据空穴，形成丰富的活性含氮官能团，从而富集大量氮元素于热解炭中；

S3：将步骤S2得到的热解炭进行酸洗，然后用过量的去离子水过滤冲洗至滤液成中性，干燥后得到具有丰富活性含氮官能团的功能型高含氮多孔炭材料。

本发明以上发明构思的原理是：生物质在富氮热解过程中，活化剂与生物质废弃物反应刻蚀炭骨架形成发达孔隙结构，同时也产生大量的空穴，氨气中的氮原子快速占据空穴，形成丰富的活性含氮官能团(吡啶-N、吡咯-N、季-N和吡啶-N-氧化物)，进而富集大量氮元素于热解炭中；且氨气自身也会与生物质反应，进一步的扩孔和富集氮于焦炭产品中；另外活化剂与氨气同时存在时，还具有协同作用，促进焦炭孔隙和含氮官能团的形成，从而最终形成具有丰富活性含氮官能团的功能型高含氮多孔炭材料，其在催化剂、吸附剂、电极材料等领域都具有广泛的应用前景，从而实现了生物质的高附加值利用。

进一步的，所述步骤S1中的生物质为竹屑、椰壳、稻壳、玉米秆、麦秆中的一种或多种。