[发明专利]一种木质纤维素类生物质联产酸和富氮炭基氧还原催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种木质纤维素类生物质联产酸和富氮炭基氧还原催化剂的方法。具体涉及木质纤维素类生物质产酸和产炭两个过程。首先，原料采用水热预处理方式，之后将预处理后原料和接种物混合，定向调控产酸体系pH至10‑11后进行产酸。产酸过程的固相产物用于定向产炭，由于微生物的作用，打开生物质的内部结构，同时引入富氮原料微生物菌体，通过在惰性气氛下高温热解，将氮引入到碳骨架中，形成丰富的含氮官能团，实现木质纤维素类生物质的富氮热解和转化，最终形成具有丰富含氮官能团的功能型高含氮多孔炭材料，其在电催化领域具有广泛的应用前景，从而实现了木质纤维素类生物质的高值化转化和资源化利用。

技术领域

本发明属于生物质利用技术领域，具体涉及一种木质纤维素类生物质联产酸和富氮炭基氧还原催化剂的方法。

背景技术

木质纤维素类生物质是地球上最丰富的生物质资源，包括木材(如桉木、榉木、杨木等)和农林废弃物(如玉米杆、小麦秆、高粱杆等)，具有来源广泛、普遍性和易取性等特点。木质纤维素类生物质主要由纤维素、半纤维和木质素等组成，它们之间以共价键或非共价键强烈啮合，使植物具有稳定的三维孔道结构。这种独特的孔隙结构，为构建复杂多级孔结构炭材料提供了便利，但同时这种强交联作用使得产物的形貌和结构难以被精准调控。

异质原子的掺杂(N、P、S、B、F等)是提升炭材料氧还原性能的重要策略，特别是含氮官能团的引入在提升炭材料电化学品质方面，作用显著。氮原子大小与碳原子相似，因此可以很容易地取代碳纳米材料中的碳原子。另一方面，与C原子相比，N掺杂原子具有更高的电子亲合力，这使得N掺杂原子很容易改变碳材料中的原子结构和电子排列，进而导致碳纳米材料中电荷的离域化、自旋密度的变化以及更接近费米能级的态密度增加。这些优化进一步使碳材料具有n型导电性，增加了金属性能，提高了电子转移率，为反应物提供了更多的活性位点。氮原子丰富的结合形式使碳基材料展示出不同的特性。

现有的关于生物炭电极材料制备的专利更加关注于对于富氮生物质的高效转化，如(CN104241662A)，主要是富氮生物质的热解过程调控。目前未见通过生物过程调控制备高含氮多孔炭材料的相关报道。因而，开发一种简单、廉价、高效生物质基氮掺杂层级结构多孔炭材料，具有重要意义。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种木质纤维素类生物质联产酸和富氮炭基氧还原催化剂的方法。

本发明通过生物过程调控，实现对一般木质纤维素类生物质的富氮热解和结构调控。通过表面改性和结构调整，在多孔炭材料中形成异质掺杂、缺陷位点、调整纳米尺度的孔隙、孔洞和沟道可显著提高催化剂的活性、选择性和稳定性，改善电池的比能密度。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种木质纤维素类生物质联产酸和富氮炭基氧还原催化剂的方法，包括以下步骤：

S1：将木质纤维素类生物质在水热反应釜中进行预处理；

S2：将步骤S1中预处理后的物料转移至产酸反应器中，加入接种物，调节pH，运行一段时间后进行固液分离，收集的液体部分富含挥发性有机酸；

S3：将步骤S2中收集的固体部分干燥后在惰性气氛下，进行富氮热解反应，得到氮掺杂生物炭；

S4：将步骤S3中得到的生物炭进行酸洗，然后用过量的去离子水冲洗至滤液呈中性，干燥后得到具有丰富含氮官能团的功能型高含氮多孔炭材料，即为富氮炭基氧还原催化剂。

进一步的，所述步骤S1中的预处理的条件为：溶剂为水、温度为160～200℃、时间为2～6h、固液比为1:15-20。

进一步的，所述步骤S2中的产酸反应器采用序批式进料方式，物料停留时间为4～6d；产酸反应器的运行pH值调节至10～11，运行温度为35～55℃，运行时间为4～10d。

进一步的，所述步骤S2中的固液分离是采用高速离心机分离。