[发明专利]一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳及其制备方法和应用。以燕麦为原料的掺氮多孔碳的制备方法包括以下步骤：步骤1：将燕麦干燥，研磨处理成粉末状后加入分散剂中进行加热搅拌，搅拌均匀后再加入活化剂及氮源，继续加热搅拌直至混合均匀，经干燥后得到前驱体；步骤2：将步骤1得到的前驱体在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后进行酸处理得到一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳。本发明采用化学活化法，利用绿色环保、无腐蚀、低成本的活化剂对廉价的、可再生的生物质进行活化成孔，制备富氮、高比表面积、性能优越的掺氮介孔碳材料。

技术领域

本发明涉及纳米材料技术领域，具体涉及一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳及其制备方法和应用。

背景技术

多孔碳材料是指具有不同孔结构的碳材料，其孔径可以根据实际应用的要求进行调控，使其尺寸处于纳米级微孔至微米级大孔之间。多孔碳材料具有碳材料的性质，如化学稳定性高、导电性好、价格低廉等优点；同时，孔结构的引入使其同时具有比表而积大、孔道结构可控、孔径可调等特点。多孔碳材料在气体分离、水的净化、色谱分析、催化和光催化及能量存储等领域得到了广泛的应用。此外，研究发现，若在多孔碳材料中适当地掺杂其它元素，可以改变碳材料的晶体结构和电子结构，从而使其物理、化学性质优于普通多孔碳材料，扩大其在能量储存、转换装置中的应用潜力。

虽然掺杂的多孔碳由于其优异的性能越来越受到研究者的关注，然而传统掺杂多孔碳一般以昂贵的有机化合物为原料，以复杂的有机合成为基础，在苛刻的反应条件下经过高温碳化制备，虽然也能取得较好的效果，但步骤较为复杂，因此很难进行商业化生产。生物质是植物通过光合作用合成的有机物，本身含有大量的纤维素、半纤维素与木质素，是生产多孔碳非常好的原料。用这种成本低廉、随处可得的可再生资源制备多孔碳不仅解决了生物质处置的难题，而且使得生物质得到了重新利用，相比于将其直接燃烧、堆肥等处理，具有更高的资源回收价值。将生物质高效转换为生物质基碳材料，具有广阔的开发利用前景。

生物质碳材料的制备主要分为三种，分别是物理活化法、化学活化法和物理化学共活化。物理活化法采用水蒸气、烟道气、空气等含氧气体或者混合气体作为活化剂，具有活化温度高，时间长，能耗高的缺点。化学活化法常用的化学活化剂有碱金属、碱土金属的氢氧化物和一些酸，应用较成熟的有KOH、ZnCl₂、H₃PO₄等，缺点在于活化剂用量大、腐蚀设备、污染环境、活化剂残留难以去除。物理化学共活化法则是两者的结合，但并没有明显改善物理活化法和化学活化法的一些固有缺点。

综述可见，以生物质为原料，开发绿色环保、过程简单、成本低廉的制备掺氮介孔碳的方法成为当下一项亟待解决的问题。本专利主要采用化学活化法，利用绿色环保、无腐蚀、低成本的活化剂对廉价的、可再生的生物质进行活化成孔，制备富氮、高比表面积、性能优越的掺氮介孔碳材料。

发明内容

本发明所解决的技术问题在于提供一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳及其制备方法和应用，解决了现有技术中制备掺氮多孔碳成本高、过程复杂和环境污染严重等问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

本发明一方面公开了一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：将燕麦干燥，研磨处理成粉末状后加入分散剂中进行加热搅拌，搅拌均匀后再加入活化剂及氮源，继续加热搅拌直至混合均匀，经干燥后得到前驱体；

步骤2：将步骤1得到的前驱体在惰性气体氛围下进行煅烧，煅烧后进行酸处理得到一种以燕麦为原料的掺氮多孔碳。

优选的，所述的燕麦为去壳的燕麦粒或燕麦片。

优选的，所述活化剂为氯化钙，所述氮源为尿素。

优选的，所述燕麦、所述活化剂和所述氮源的质量比例为1:(1～4)：(1～4)。