[发明专利]一种镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料及其制备方法和应用

说明书

本发明提供了一种镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料及其制备方法和应用，属于催化技术领域。本发明利用N原子锚定镍金属颗粒，增加镍金属在活性炭上分布的均匀性，另外，N原子掺杂和镍金属负载改变了生物炭的物理化学性质，N元素掺杂可增加生物炭的表面缺陷，进而增加其催化性能；此外，N元素和镍金属颗粒以及生物炭会形成Ni‑N‑C键，改变生物炭材料表面的电子云排布状态，进而增加催化剂的活性和稳定性，提高生物质热解制氢的选择性，增加氢气的产量。

技术领域

本发明涉及催化技术领域，尤其涉及一种镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料及其制备方法和应用。

背景技术

随着工业的不断发展和人类生活水平的提高，煤炭、石油和天然气等化石燃料消耗量逐年增加。由于化石燃料的持续使用没有碳汇，严重扰乱了生态系统。因此，越来越多的国家开始重视发展风能、太阳能、地热能、核能、生物质能等可再生清洁能源。其中，生物质是一种碳中性资源，其储量巨大且可以转化为各种能源产品，被认为是继煤炭、石油和天然气之后世界第四大能源。

通过对生物质进行热化学转化，例如热解和气化，生成合成气体是目前最有潜力也是最可靠的生物质能源化方法。在合成气体中，氢气是一种热值高、无污染的新能源。它的燃烧只产生水，不产生任何污染物。因此生物质热解制氢受到了广泛的关注。用于生物质热解制氢的催化剂包括碱金属、碱土金属、过渡金属、天然矿石等。然而，现有生物质热解制备氢气技术的选择性不高，氢气产量较小，还达不到产业化的要求。因此开发具有高选择性、高氢气产量的廉价催化剂意义非凡。

生物炭基复合材料作为催化剂，广泛的应用于能源和环境领域。其可以通过生物质热解过程合成，操作简单且廉价易得。此外，生物炭可以通过酸活化、碱活化、气体活化、等离子体活化以及金属浸渍活化等，获得多级孔结构和较大的孔体积。因其具有高比表面积和丰富的孔结构而被作为载体以稳定金属纳米颗粒。制备生物炭基复合材料用于生物质热解制氢具有巨大应用价值。近年来，关于金属颗粒负载生物炭的研究已经取得了很大进展，但精细调控金属颗粒的理化性质，优化金属颗粒嵌入生物炭基质的工艺，从而提高其活性和稳定性以及热解制氢的选择性，仍是目前面临的技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的在于提供一种镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料及其制备方法和应用，本发明制备的镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料具有高活性、高选择性和稳定性。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料的制备方法，包括以下步骤：

将生物质进行热解，得到生物炭；

将所述生物炭进行活化，得到多级孔生物炭；

将所述多级孔生物炭置于氮源的水溶液中进行水热反应，得到氮掺杂多级孔生物炭；

将所述氮掺杂多级孔生物炭浸渍到镍离子的水溶液中，将所得浸渍体系干燥后进行煅烧，得到镍负载氮掺杂多级孔生物炭材料。

优选的，所述热解的温度为500~750℃，时间为60~120min。

优选的，所述热解在绝氧或低氧条件下进行。

优选的，所述活化为碱活化、水蒸气活化或金属盐活化。

优选的，所述氮源包括尿素、氨水和硝酸铵中的一种或多种；所述氮源中N元素的质量为多级孔生物炭中C元素质量的10~20%。

优选的，所述水热反应的温度为100~200℃，时间为2~24h，压力为4~8MPa。

优选的，所述镍离子的水溶液中Ni元素的质量为多级孔生物炭中C元素质量的1~10%；所述镍离子的水溶液为硝酸镍水溶液或醋酸镍水溶液。

优选的，所述煅烧的温度为500~800℃，保温时间为1~2h。