制备氮掺杂碳材料的系统的制作方法

本实用新型属于碳材料掺杂改性领域，具体而言，本实用新型涉及制备氮掺杂碳材料的系统。

背景技术：

现有的碳材料孔径调节装置多是通过水蒸气发生器将水蒸气通入反应器内与碳材料进行反应，实现孔径调节。而现有的碳材料掺杂装置多是借助气氛炉等热解装置，将掺杂源与碳材料混合热解，大量掺杂源在升温过程中分解并随尾气排出，导致掺杂源消耗利用效率低，且掺杂效果不好。也即在现有技术中，碳材料的孔径调节和掺杂都分别在各自的系统内单独进行。通常是先对碳材料进行孔径调节再进行氮掺杂。整个工艺复杂且成本较高，同时存在掺杂工艺氮源消耗量大、利用率低的问题。

因此，现有氮掺杂和孔径调节的技术有待进一步改进。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种制备氮掺杂碳材料的系统。该系统可显著提高掺杂源的利用效率，同时可实现氮掺杂和孔径调节的同步进行，且工艺成本较低。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种制备氮掺杂碳材料的系统，根据本实用新型的实施例，该系统包括：

混合溶解装置，所述混合溶解装置具有无机氮源入口、水入口和无机氮源水溶液出口；

回转炉，所述回转炉在沿其前端墙到后端墙的方向上斜向下设置，所述回转炉内设有可转动的炉膛，从所述回转炉的所述前端墙到所述后端墙的方向上，所述炉膛内依次限定出进料区、气化掺杂反应区和出料区，所述进料区与所述气化掺杂反应区之间设有第一挡板，所述气化掺杂反应区和所述出料区之间设有第二挡板，所述进料区设有碳材料入口，所述气化掺杂反应区设有无机氮源水溶液入口，所述出料区设有氮掺杂碳材料出口和尾气出口，所述无机氮源水溶液入口与所述无机氮源水溶液出口相连。

根据本实用新型实施例的制备氮掺杂碳材料的系统，通过将溶于水的无机氮源与水混合后供给至回转炉中，在回转炉内，碳材料通过碳材料入口送至进料区，无机氮源水溶液通过无机氮源水溶液入口送至气化掺杂反应区，在高温下，无机氮源水溶液瞬间气化为含氮水蒸气，随着炉膛的转动，碳材料进入气化掺杂反应区，水蒸气与进入气化掺杂反应区的碳材料不断进行反应，随着反应时间的延长，碳材料不断产生微孔，原有微孔孔壁烧塌，孔径变大，比表面积变大，随着反应时间的进一步延长，孔壁互相穿通，孔径继续变大，比表面积开始降低。同时氮元素也不断的与碳材料进行掺杂反应，碳材料中的碳与无机氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N、C≡N的氮掺杂碳材料。由此，实现了氮掺杂与孔径调节的同步进行，相较于现有将氮掺杂与孔径调节分开单独进行的技术，本申请的技术方案可显著提高氮源的利用率和氮掺杂效果，降低氮源的消耗量，同时工艺简单、成本低。

另外，根据本实用新型上述实施例的制备氮掺杂碳材料的系统还可以具有如下附加的技术特征：

任选的，所述回转炉与水平面的夹角α为2～30度。由此，可以保证物料的顺行。

任选的，所述第一挡板和所述第二挡板垂直所述炉膛内壁布置。由此，可以保证物料在炉膛中的停留时间。

任选的，上述系统包括多个所述第一挡板，所述多个第一挡板沿所述炉膛的径向间隔设置在所述炉膛的内周壁上。由此，可以进一步保证物料在炉膛中的停留时间。

任选的，上述系统包括多个所述第二挡板，所述多个第二挡板沿所述炉膛的径向间隔设置在所述炉膛的内周壁上。由此，可以进一步保证物料在炉膛中的停留时间，从而提高氮掺杂效果。

任选的，所述多个第一挡板等间距分布，并且相邻两个所述第一挡板间距为所述炉膛内周壁周长的1/200～1/10，所述多个第二挡板等间距分布，并且相邻两个所述第二挡板间距为所述炉膛内周壁周长的1/200～1/10。由此，可以进一步提高氮掺杂效果。

任选的，所述第一挡板和所述第二挡板高度分别独立地为所述炉膛直径的1/50～1/5。由此，可以进一步提高氮掺杂效果。

任选的，所述第一挡板宽度为所述炉膛内周壁周长的1/100～1/8，所述第二挡板宽度为所述炉膛内周壁周长的1/100～1/8。由此，可以进一步提高氮掺杂效果。

任选的，所述气化掺杂反应区的外围设有加热器，所述加热器包括电加热丝和耐火砖，其中，所述耐火砖环绕所述气化掺杂反应区的外围设置，所述电加热丝设在所述耐火砖与所述炉膛之间。由此，可以进一步提高氮掺杂效果。

任选的，上述制备氮掺杂碳材料的系统进一步包括：计量泵，所述计量泵与所述无机氮源水溶液出口和所述无机氮源水溶液入口相连。由此，有利于提高碳材料的氮掺杂和孔径调节的效率和效果。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本实用新型一个实施例的制备氮掺杂碳材料的系统结构示意图；

图2是根据本实用新型再一个实施例的制备氮掺杂碳材料的系统结构示意图；

图3是根据本实用新型又一个实施例的制备氮掺杂碳材料的系统结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种制备氮掺杂碳材料的系统，根据本实用新型的实施例，参考图1，该系统包括：混合溶解装置100和回转炉200。

根据本实用新型的实施例，参考图1，混合溶解装置100具有无机氮源入口101、水入口102和无机氮源水溶液出口103，且适于将无机氮源与水混合溶解，以便得到无机氮源水溶液。发明人发现，通过采用可溶于水的无机氮源与水混合溶解，得到无机氮源的水溶液，利用无机氮源水溶液中的水可实现碳材料的孔径调节，无机氮源水溶液中的氮源可实现碳材料的氮掺杂，由此，可在一个装置内同时实现碳材料的氮掺杂和孔径调节。需要说明的是，可溶性无机氮源的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为尿素。无机氮源水溶液的浓度可以为1-30wt％，发明人发现，若无机氮源水溶液的浓度过低，则碳材料氮掺杂的效率降低，同时碳材料孔径调节容易失控；而若无机氮源水溶液的浓度过高，则一方面会造成氮源的浪费，另一方面碳材料的孔径调节效果降低。

根据本实用新型的实施例，参考图1，回转炉200在沿其前端墙26到后端墙27的方向上斜向下设置，并且回转炉内设有可转动的炉膛20，从回转炉的前端墙26到后端墙27的方向上，炉膛20内依次限定出进料区21、气化掺杂反应区22和出料区23，并且进料区21与气化掺杂反应区22之间设有第一挡板24，气化掺杂反应区22和出料区23之间设有第二挡板25，进料区21设有碳材料入口201，气化掺杂反应区22设有无机氮源水溶液入口202，出料区23设有氮掺杂碳材料出口203和尾气出口204，无机氮源水溶液入口201与无机氮源水溶液出口103相连。具体的，碳材料的具体类型并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，例如可以为煤基活性炭或煤基石墨烯这类密度较大的碳材料，在回转炉内，碳材料经碳材料入口进入炉体内部的进料区，混合溶解装置得到的无机氮源水溶液送至气化掺杂反应区直接气化为气态，随着炉膛的旋转，碳材料沿着炉膛内壁向下倾斜到达气化掺杂反应区与气态的无机氮源和水蒸气反应，氮掺杂和孔径调节同步进行，待反应结束后，得到的氮掺杂碳材料沿倾斜布置的炉膛内壁进入出料区，并经出料区上的氮掺杂碳材料出口出料，得到氮掺杂碳材料和尾气。发明人发现，在回转炉内，碳材料通过碳材料入口送至进料区，无机氮源水溶液通过无机氮源水溶液入口送至气化掺杂反应区，在高温下，无机氮源水溶液瞬间气化为含氮水蒸气，水蒸气与进入气化掺杂反应区的碳材料不断进行反应，随着反应时间的延长，碳材料不断产生微孔，原有微孔的孔壁烧塌，孔径变大，比表面积变大，随着反应时间的进一步延长，孔壁互相穿通，孔径继续变大，比表面积开始降低。同时氮元素也与也不断的与碳材料进行掺杂反应，碳材料中的碳与无机氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N、C≡N的氮掺杂碳材料。由此，实现了氮掺杂与孔径调节的同步进行，相较于现有将氮掺杂与孔径调节分开单独进行的技术，本申请的技术方案可显著提高氮源的利用率和氮掺杂效果，降低氮源的消耗量，同时工艺简单、成本低。需要说明的是，回转炉的“前端墙”定义为回转炉内物料上游对应的挡墙，“后端墙”定义为回转炉内物料下游对应的挡墙，并且炉膛各部分内径一致。

根据本实用新型的一个实施例，无机氮源水溶液与碳材料的流量比可以为1～10:1。发明人发现，若无机氮源水溶液与碳材料的流量比过低，则无机氮源水溶液不足，导致碳材料的氮掺杂和孔径调节的效率低下，单位时间内碳材料的处理效率降低；而若无机氮源水溶液与碳材料的流量质量比过高，即无机氮源水溶液过量，扩孔速度太快，既造成氮源的浪费，又使产品孔径分布不均匀。

根据本实用新型的再一个实施例，回转炉内气化掺杂反应区的温度可以为350-1000摄氏度，气化掺杂的时间可以为10-600min。发明人发现，若气化掺杂反应区的温度过低，则碳材料的氮掺杂和孔径调节的效率和效果降低，不利于提高氮掺杂碳材料的品质；若气化掺杂反应区的温度过高，则会在对氮掺杂碳材料品质无明显提高的情况下造成能源浪费，不利于本工艺的经济性。若气化掺杂的时间过短，则所得的氮掺杂碳材料品质下降，氮掺杂的效果和孔径调节的效果均下降；若气化掺杂的时间过长，碳材料孔径分布受到影响且收率较低，同时造成系统处理效率降低，不利于生产的进行。

根据本实用新型又一个实施例，如图1，回转炉200与水平面的夹角α可以为2～30度。由此，可以在不需要提供额外动力的基础上保证供给至炉膛的碳材料的顺行，使其随着炉膛的转动，自动沿炉膛内壁从进料区到气化掺杂区再到出料区，完成反应，并实现自动出料。参考图1，优选的，第一挡板24和第二挡板25垂直炉膛内壁设置。更优选的，进料区21和气化掺杂反应区22之间设置多个第一挡板24，并且多个第一挡板24沿炉膛20的径向间隔设置在炉膛20的内周壁上，同时，在气化掺杂反应区22和出料区23之间设置多个第二挡板25，并且多个第二挡板25沿炉膛20的径向间隔设置在炉膛20的内周壁上。具体的，通过设置多个第一挡板和多个第二挡板，进入进料区的碳材料经第一挡板之间的间隔进入气化掺杂反应区，而反应后得到的氮掺杂碳材料经气化掺杂反应区和出料区之间的第二挡板之前的间隔进入出料区，使得碳材料在气化掺杂反应区均匀分布且提高其在该区域的停留时间，从而显著提高氮掺杂效果。

根据本实用新型又一个实施例，多个第一挡板24等间距分布，并且相邻两个第一挡板24间距为炉膛20内周壁周长的1/200～1/10，同时多个第二挡板25等间距分布，并且相邻两个第二挡板25间距为炉膛20内周壁周长的1/200～1/10。发明人发现，该布置方式可以保证从进料区进入到气化掺杂反应区的碳材料均匀分布，从而保证碳材料的氮掺杂效率。

根据本实用新型的又一个实施例，第一挡板24和第二挡板25的高度分别独立的为炉膛20直径的1/50～1/5。发明人发现，若第一挡板高度过低，大部分碳材料直接通过挡板进入气化掺杂反应区，不利于碳材料在气化掺杂反应区均匀分布，且会降低其在该区域的停留时间；若第一挡板高度过高，会增加炉膛制造加工费用和残留物料清理难度。若第二挡板高度过低，大部分碳材料直接通过挡板进入出料区，不利于碳材料在气化掺杂反应区均匀分布且会降低其在该区域的停留时间；若第二挡板高度过高，会增加炉膛制造加工费用和残留物料清理难度。

根据本实用新型的又一个实施例，第一挡板24宽度为炉膛20内周壁周长的1/100～1/8，第二挡板25宽度为炉膛20内周壁周长的1/100～1/8。发明人发现，该规格的第一挡板可以保证从进料区进入到气化掺杂反应区的碳材料均匀分布，该规格的第二挡板可以显著提高碳材料在气化掺杂反应区的停留时间，从而保证碳材料的氮掺杂效率。

根据本实用新型的又一个实施例，参考图2，气化掺杂反应区22的外围设有加热器28，由此，可为气化掺杂反应区提供碳掺杂反应的条件。根据本实用新型的一个具体实施例，加热器28包括电加热丝281和耐火砖282，其中，耐火砖282环绕气化掺杂反应区22的外围设置，电加热丝281设在耐火砖282与炉膛20之间。由此，通过在气化掺杂反应区外围布置加热器，一方面可以保证气化掺杂反应区温度均匀，另一方面可避免杂质的引入，在提高氮掺杂效率的同时提高所得氮掺杂碳材料的品质。

根据本实用新型实施例的制备氮掺杂碳材料的系统，通过将溶于水的无机氮源与水混合后供给至回转炉中，在回转炉内，碳材料通过碳材料入口送至进料区，无机氮源水溶液通过无机氮源水溶液入口送至气化掺杂反应区，在高温下，无机氮源水溶液瞬间气化为含氮水蒸气，水蒸气与进入气化掺杂反应区的碳材料不断进行反应，随着反应时间的延长，碳材料不断产生微孔，原有微孔孔壁烧塌，孔径变大，比表面积变大，随着反应时间的进一步延长，孔壁互相穿通，孔径继续变大，比表面积开始降低。同时氮元素也不断的与碳材料进行掺杂反应，碳材料中的碳与无机氮源中的氮发生反应生成含C-N键和/或C＝N、C≡N的氮掺杂碳材料。由此，实现了氮掺杂与孔径调节的同步进行，相较于现有将氮掺杂与孔径调节分开单独进行的技术，本申请的技术方案可显著提高氮源的利用率和氮掺杂效果，降低氮源的消耗量，同时工艺简单、成本低。

根据本实用新型的实施例，参考图3，上述制备氮掺杂碳材料的系统进一步包括：计量泵300。

根据本实用新型的实施例，计量泵300与无机氮源水溶液出口103和无机氮源水溶液入口202相连，且适于将混合溶解装置内的无机氮源水溶液经计量后送至回转炉内。由此，有利于控制回转炉内碳材料的氮掺杂和孔径调节反应，以提高碳材料的处理效率，提高所得氮掺杂碳材料的品质。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。