[发明专利]一种氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法及其应用

说明书

本发明公开了一种氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法及其应用，包括，取粘胶基活性炭纤维毡，浸泡于尿素与甲醛的混合溶液中，加入甲酸溶液反应；取出活性炭纤维毡，置入盐酸溶液中固化，取出，水洗，烘干；在惰性气体氛围下进行碳化处理；碳化处理后置入残碳清洗液，清洗、烘干，获得本发明的氮掺杂活性炭纤维毡。本发明提供了一种大面积分布、高表面积、高氮含量的粘胶基氮掺杂ACF毡的制备方法，方法简单可控，成本低廉，适合工业化生产。

技术领域

本发明属于活性炭纤维材料技术领域，具体涉及到一种氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法及其应用。

背景技术

活性炭纤维(Activated Carbon Fiber，ACF)是由碳纤维(Carbon Fiber， CF)发展而来的，具有特殊形态的高价值工业活性碳材料。由于纤维表面丰富的微孔结构，ACF有多种的用途，包括材料浓缩，流体净化，气体分离、能量储存、卫生防护等。同时由于ACF独特的纺织品形态还展现出可任意弯曲折叠的力学特性，在工程应用中易于加工、运输和使用。

近年来对碳材料进行掺杂改性来使其获得独特的优异性能成为了研究热点。氮在元素周期表中位于碳的右边相邻位置，两者的化学性质相似，比较容易结合。当氮掺杂进入碳材料里面时，氮可以取代碳材料中的碳原子，氮原子多出的1个核外电子可为sp2杂化的碳骨架中的π电子提供电子，这不仅能增强碳的n-型导电性，同时也能通过改善表面结构来增强碳材料的亲水性和表面活性，使这种氮掺杂碳材料具备更优异的物理化学性质，因此通过氮掺杂来改性碳材料，能大大拓宽其在各应用领域的潜在价值。例如氮掺杂介孔碳，优异的电化学性能主要来源于与氮相关的缺陷处的氧化还原反应，该缺陷将惰性的石墨烯状层状碳转变为电化学活性物质，而不会影响其导电性。研究表明，通过对碳基材选择性掺杂吡啶氮原子提高了碳基非金属催化剂的氧还原反应活性，所合成的吡啶二酮氮掺杂的氢取代石墨二炔在氧还原反应中的电催化性能比在碱性介质中的市售铂基催化剂好，并且在酸性介质中具有可比的活性。因此，氮掺杂碳材料，特别是氮掺杂ACF可能在吸附分离，电化学和催化性能方面产生与现有ACF产品明显的性能和用途区别。

目前见诸报道的氮掺杂碳材料主要有氮掺杂碳纳米管、氮掺杂石墨烯、氮掺杂碳量子点等低维材料，这些材料性能优越，但制备方法相对复杂，成本较高，不适用于大规模工业生产。ACF作为成熟的工业活性炭产品是制备氮掺杂活性炭材料的理想基材，氮元素的引入可改变ACF结构、导电性和酸碱性等特点。

发明内容

本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

因此，本发明其中一个目的是以粘胶基活性炭纤维为基材，在ACF碳层上掺杂氮原子，具备孔结构和氮含量可调控的特征，实现活性炭纤维材料的功能化，提供一种氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法及其应用。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法，包括，

取粘胶基活性炭纤维毡，浸泡于尿素与甲醛的混合溶液中，加入甲酸溶液反应；

取出活性炭纤维毡，置入盐酸溶液中固化，取出，水洗，烘干；

在惰性气体氛围下进行碳化处理；

碳化处理后置入残碳清洗液，清洗、烘干，获得本发明的氮掺杂活性炭纤维毡。

作为本发明氮掺杂活性炭纤维毡的制备方法的一种优选方案，其中：所述粘胶基活性炭纤维毡为BET比表面积900～1800m²/g。