[发明专利]一种富氮微孔碳材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种富氮微孔碳材料及其制备方法和应用。富氮微孔碳材料的制备方法包括如下步骤：八水六环己烷和二氨基甲腈在冰乙酸中回流，热过滤，热冰乙酸洗涤后加入30％的HNO₃加热处理，冷却过滤收集固体在乙腈中回流，过滤，真空中蒸发得到HAT，在氮气流作用下，升温炭化合成富氮微孔碳材料HAT‑CN‑X。本发明的HAT‑CN‑X具有离子扩散快、电荷转移能力强的特点，应用的膜电容去离子模块比电容为179.2F g^‑1，具有24.66mg g^‑1的高盐吸附能力，在30个循环时表现出良好的循环稳定性，比表面积大，微孔结构丰富，导电性好，电荷存储空间及活性位点充足具有较高的MCDI性能，还具有良好的再生性能，适合于MCDI的应用和碱性处理。

技术领域

本发明涉及电容去离子技术领域，更具体地，涉及一种富氮微孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术

水资源短缺和水安全是威胁和阻碍社会快速和持续发展的两个最重要的问题，不可用的咸水和难以再生的生活和工业污水使这两个问题更加严重。传统的海水淡化技术，如膜蒸馏、离子交换树脂、反渗透和电渗析等，能耗高，成本高，使用酸性或碱性溶液等进行再生对环境不利。因此，一种新型的海水淡化技术—电容去离子化技术(CDI)以其优异的性能得到了迅速的发展。CDI是指用电容吸附法去除离子，当施加电压时，含有带电物质的溶液向电极移动并被吸附，在电极-液界面上形成双电层(EDLs)，然后通过电场的抵消或电池电压的逆转，电荷被解吸回溶液中。CDI可以在吸附和解吸过程中再生和恢复，膜电容去离子化(MCDI)将商业化的离子交换膜集成到CDI设备上，通过大大降低共离子的作用，可以提高电吸附效率。影响CDI脱盐效率的一个关键参数是电极材料的性能，电极材料需要具有高的表面积和导电性，良好的润湿性和理化稳定性。因此，活性炭(AC)、碳气凝胶(CA)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯等碳材料因其良好的导电性、高比表面积(SSA)和良好的化学稳定性而成为CDI电极的理想候选材料。然而，由于石墨烯薄片内的范德华力以及AC和CNTs的单润湿性限制了有效表面积，电吸附能力并没有达到预期的性能，同时高制造成本和复杂的制备工艺也限制了CDI电极的进一步应用。

近年来，Mahmood在2015年合成了二维晶体C₂N网络，这是一种新型的图形结构模拟材料。C₂N具有规则的空穴和较大的电子带隙(1.96eV)，比g-C₃N₄具有更好的热力学稳定性和容量，研究人员正致力于利用自底向上的方法合成具有可调结构和性能的二维晶体。由于C₂N具有高的表面积、良好的结晶度和快速的离子传输等优点，在纳米电子传感器、气体存储和电池等领域有着广泛的能源和环境应用。这与原来的石墨烯结构相比，原来的石墨烯结构由6个N个原子包围，每个原子在C₂N中都有一个悬空键，孔的大小允许锚定几个相互作用的K⁺或Cl^-原子。与此同时，与碳材料相比，杂原子掺杂可以增强结构的极化，增加特定的结合位点，两者共同作用可以显著提高客体与吸附剂相互作用的焓。相对较高的氮含量还可以提高亲水性、导电性和容量。

在针对聚合离子膜电容去离子吸附电极的研究中，CN 105753113 A公开了一种石墨烯密胺泡沫复合型膜电容去离子电极及其制备方法，制备方法以密胺泡沫为模板吸附氧化石墨烯水溶液，然后通过高温煅烧得到氮掺杂的三维多孔石墨烯材料。并在石墨烯密胺泡沫复合材料上涂覆上戊二醛交联的季胺化聚乙烯醇聚合物作为阴离子交换膜。该发明在电解质为1M氯化钠溶液中，电流密度是1A/g，电压范围为-1～0V，测得该电极的比电容为176F/g，在300μS/cm盐水中测试其脱盐性能，其吸附容量为11.1mg/g。所用原材料为石墨烯密胺泡沫，制备过程复杂，且石墨烯纯度较低，且所用材料要求比表面积大、富微孔和导电性好，实际生产中生产成本较高，电极材料性能也有待进一步提高。

发明内容