[发明专利]一种焦油碳的制备及其在氮气还原中的应用

说明书

本发明公开了一种焦油碳材料的制备方法及其在催化氮气电化学还原中的应用。一种焦油碳材料，由如下步骤制备得到：（1）将焦油置于管式炉中250℃热解2h进行预碳化；（2）将步骤（1）所得预碳化后的焦油产物浸泡于0.1 mol/l的KOH溶液中，磁力搅拌12~24 h，离心，过滤;（3）将步骤（2）KOH处理过后的过滤产物微波热解2~4 h；（4）将步骤（3）微波热解后的固体产物置于管式炉内，于氮气气氛中700~900℃高温热解3~5h，得固体产物，所述的固体产物粉碎至100~150目得到焦油碳。本发明将焦油经过预碳化、碱活化、微波耦合高温热解处理制备出孔隙结构丰富的碳材料作为氮气电化学还原的催化剂，同时提供了一种焦油无害化、材料化和资源化的有效途径。

技术领域

本发明涉及化工环保和废弃物再利用的技术领域，尤其涉及一种焦油碳的制备及其在氮气还原中的应用。

背景技术

氨是一种非常重要的无机化工产品和化工原料，被广泛用于生产肥料、炸药、合成纤维和各种其他有机和无机化合物的制造，在工业、农业以及军事等领域具有重要的地位。随着氨在社会生产中的应用越来越广，开发能耗更低、经济性更高的合成氨工艺以提高氨产量具有重要的意义。电化学还原合成氨方法是各种合成氨技术中研究较多、机理相对成熟的一种，也是最有可能有望可以取代传统的Haber-Bosch合成氨技术，具有巨大的发展前景和应用前景。而为了提高电化学合成氨的速率和法拉第效率，以及提高合成氨工艺的经济性，可通过采用外加催化剂以弱化氮分子键能、活化反应过程中的活化能，从而实现氮的高效低能耗固定合成。目前所报道的氮气电化学合成氨催化剂大体可分为贵金属催化剂、过渡金属催化剂和碳基材料催化剂三大类。金属基催化剂在氮气电化学还原催化过程中存在释放金属离子从而造成环境污染的潜在危险，于是研究人员将研究目光转向环保、高性能的碳基材料催化剂的研究，而其中以废弃物为原料制备高性能氮气电化学还原合成氨碳基催化剂近年来受到研究者的广泛关注。

焦油是生物质气化过程中大量产生的一种副产物，其在温度较高的时候呈气态，但当温度较低时就变成了粘稠的液体，可能附着在管道、阀门等附件中。关于焦油的形成，根据操作温度，生物质热解可分为三个主要过程，包括一次，二次和三次过程，这三种主要过程分别对应一级、二级和三级焦油的形成，且不同温度下生物质热解生成焦油的化学成分不同。而通过热解生物质得到的生物质焦油均具有含氧量高、热值低、黏度高等问题。但另外一方面，以焦油为原料，通过一定的热化学手段将其转化成高含氧量、高活性位点且廉价易得、绿色环保的碳材料用于催化氮气的电化学还原，将在实际应用中具有重要的意义。

发明内容

本发明提供了一种焦油碳的制备方法及其在催化氮气电化学还原中的应用，本发明以焦油为原料制备出高含氧量、表面官能团丰富、孔隙结构优异的碳材料，用于催化氮气的电化学反应过程，上述材料表现出高效的催化活性和稳定性。

本发明的目的是提出了一种焦油碳的制备方法，包括以下步骤：

（1）将焦油置于管式炉中250℃热解2h进行预碳化；

（2）将步骤（1）预碳化后的焦油产物浸泡于0.1 mol/l的KOH溶液中，磁力搅拌，离心，过滤；

（3）将步骤（2）KOH处理过后的过滤产物微波热解；

（4）将步骤（3）微波热解后的固体产物置于管式炉内，于氮气气氛中高温热解，得固体产物，所述的固体产物粉碎至100~150目得到焦油碳。

进一步的，步骤（1）所述的焦油可以是煤焦油、生物质焦油等焦油中的重质组分。

进一步的，步骤（2）所述的磁力搅拌时间12~24h，优选的为12h、14h、16h、18h、20h、22h或24h。

进一步的，步骤（3）所述的微波热解时间为2~4h，优选为2h、3h或4h。

进一步的，步骤（4）所述的高温热解温度为700℃~900℃，优选为700℃、800℃或900℃，热解时间为3~5 h，优选为3h、4h或5h。