[发明专利]一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用

摘要

本发明公开了一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法及其应用。以淀粉为碳源、以含氮化合物为氮源，经过糊化、水热、碳化与活化等步骤制备出氮掺杂淀粉基活性炭微球材料。所制备的炭微球直径为0.5～10μm、粒径可控、分散性好，比表面积为1000～3000m2/g，含氮量为0.2％～15％。所制备的材料涉及到电化学储能、吸附分离、催化剂载体、药物载体等应用领域，尤其适用于电化学储能。本发明采用绿色生物质为碳源、来源广、价格低廉，制备工艺简单易控制、环境友好、适合规模化生产。

主权项

一种氮掺杂淀粉基活性炭微球材料的制备方法，其特征在于，以淀粉为碳源、以含氮化合物为氮源，经过糊化、水热、碳化与活化制备出氮掺杂淀粉基活性炭微球材料；所制备的炭微球直径为0.5～10μm、粒径可控、分散性好，比表面积为1000～3000m2/g，含氮量为0.2％～15％；制备方法包括如下步骤中的几步或全部：(1)糊化：将水与淀粉原料以0.5～20的液/固质量比加入到反应器中于50～100℃的温度下回流搅拌2～24h之后冷却到室温，制备出胶状体中间产品；或者，将水与淀粉原料以0.5～20的液/固质量比加入到反应器中、再按淀粉质量的3～50％加入氮源，于50～100℃的温度下回流搅拌2～24h之后冷却到室温，制备出含氮胶状体中间产品；(2)水热：将步骤(1)所制备的胶状体中间产品、或者含氮胶状体中间产品转移到高压水热反应釜中，其体积填充率为0.2～0.9，在150～300℃下水热处理2～36h之后冷却到室温，用去离子水将样品洗涤至中性，然后将所得固体物在80～120℃下干燥至恒重，分别制备出水热碳焦、或者含氮水热碳焦；或者，向步骤(1)所制备的胶状体中间产品中按淀粉质量的3～50％加入氮源、再将其转移至高压水热反应釜中，其体积填充率为0.2～0.9，在温度为150～300℃下水热处理2～36h之后冷却到室温，用去离子水将样品洗涤至中性，然后在80～120℃下干燥至恒重，制备出含氮水热碳焦；(3)将活化剂配成浓度为0.2～6.0mol/L的溶液，再将步骤(2)所制得的水热碳焦、或者含氮水热碳焦置于活化剂溶液中，水热碳焦与活化剂的质量比为0.5～5，然后在室温下搅拌1～12h，再将其在50～150℃下烘干、研磨，分别得到水热碳焦、或者含氮水热碳焦与活化剂的均匀混合物，再分别将混合物置于高温炉中惰性气氛下500～1300℃碳化活化处理0.5～10h后随炉冷却到室温，取出样品后分别采用酸溶液和去离子水将样品洗涤至中性，最后将固体物置于干燥箱中80～120℃干燥至恒重，分别制备出淀粉基活性炭微球、或者氮掺杂淀粉基活性炭微球材料；或者，将步骤(2)制备的水热碳焦与氮源按1～10:1、与活化剂按0.5～5的质量比计量，并与水混合，控制液/固质量比为0.5～20，在室温下搅拌1～12h，然后将其在50～120℃下烘干、研磨得到含氮及含活化剂的水热碳焦均匀混合物；或者，将步骤(3)制备的淀粉基活性炭微球与氮源按1～10:1的质量比计量，并与水混合，控制液/固质量比为0.5～20，在室温下搅拌1～12h，然后将其在50～120℃下烘干、研磨得到含氮的淀粉基活性炭微球均匀混合物；分别将上述含氮及含活化剂的水热碳焦均匀混合物、或者含氮的淀粉基活性炭微球均匀混合物置于高温炉中惰性气氛下500～1300℃处理0.5～12h后随炉冷却到室温，取出样品后分别采用酸溶液和去离子水将样品洗涤至中性，然后将所得固体物置于干燥箱中80～120℃干燥至恒重，制备出氮掺杂淀粉基活性炭微球材料；所述的淀粉为红薯淀粉、绿豆淀粉、土豆淀粉中的一种或者两种以上；所述的氮源为尿素、硫脲、乙二胺、乌诺托品、二氰二胺、苯胺、聚苯胺、吡咯、聚吡咯、聚丙烯腈、g‑C3N4中的一种或者两种以上；所述的活化剂为水溶性的碳酸盐、磷酸盐、硫酸盐、硝酸盐中的一种或两种以上的混合物。