生物质多孔碳制备及其二氧化碳吸附应用

本发明涉及生物质多孔碳制备及其二氧化碳吸附应用，属于碳材料领域。

背景技术：

1、随着人类活动的增加，全球二氧化碳排放量与日俱增，一系列环境问题随之而来。二氧化碳是造成全球变暖的主要原因。因此，如何降低大气中二氧化碳的含量成为人们关注的焦点。目前，二氧化碳吸附主要包括低温分离法、溶剂吸收法、有机膜分离法和固体吸附法。其中固体吸附法具有制备工艺简单、环境友好以及吸附和分离二氧化碳能耗低的优点，有望在未来成为二氧化碳吸附技术的主流。

2、固体吸附材料主要集中在金属有机骨架(mof)、共价有机骨架(cof)、多孔碳和分子筛等多孔材料。其中，mof和cof材料的优势在于其具有比较大的比表面积和永久的拓扑结构，以及可调节的孔结构和表面化学性质，但是其制备过程比较复杂，制备成本高和稳定性差的问题限制了其应用。分子筛含有开放的通道和空腔，具有酸碱可调性和吸附效率高等优点，但是其对二氧化碳吸附的选择性会受水的影响，导致吸附选择性低，即使采用疏水的分子筛，其稳定性和再生能量上也存在不足。

3、多孔碳材料因其良好的化学和热稳定性、可调的物理化学性质和成本相对较低等优点，被广泛用作气体吸附剂、载体以及无金属催化剂，以应对各种能源和环境问题，所以也被称为万能材料。其中，碳材料的来源主要有生物质衍生物和聚合物前驱体。生物质衍生碳具有高度互连的大孔结构、易于调控的孔结构、丰富的含氧官能团、低灰分含量和环境友好等特性，虽然多孔碳材料有着良好的化学和热稳定性、且成本较低，但是相较于分子筛和mof、cof等新兴吸附材料，在吸附容量上还需要进一步的提升。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种生物质多孔碳制备及其二氧化碳吸附应用。

2、为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、技术主题一

4、一种生物质多孔碳的制备方法，包括如下步骤：

5、a、将生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵混合球磨，在250-350℃煅烧2-4 h，得到中间产物；

6、b、将中间产物在惰性气体氛围下850-950℃炭化，炭化时间0.5-1.5h，然后酸洗，水洗，得到多孔碳材料。

7、作为本发明的优选实施方案，所述生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵的质量比为10：2-4：2-4：3：1-3。

8、作为本发明的优选实施方案，所述生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵的质量比为10：3：3：3：2。

9、作为本发明的优选实施方案，所述生物质选自壳聚糖、甲壳素和聚天冬氨酸钾盐中的一种或多种。

10、作为本发明的优选实施方案，所述步骤a在300℃煅烧3h；所述步骤b中间产物在惰性气体氛围下900度炭化1h。

11、作为本发明的优选实施方案，所述球磨转速为200-500转/分钟；球磨时间为3-5h。

12、作为本发明的优选实施方案，所述酸洗步骤为将中间产物用5 wt%盐酸溶液酸洗，水洗用去离子水洗涤。

13、作为本发明的优选实施方案，所述酸性氧化铝微球的直径1微米，碳酸钾微球的直径5微米。

14、作为本发明的优选实施方案，所述步骤a中煅烧的具体步骤为：以6-8℃/min的升温速率升温至300℃；炭化的具体步骤为：以6-8℃/min的升温速率升温至850-950℃。

15、技术主题二

16、本发明还提供了技术主题一所述一种生物质多孔碳的制备方法制备的多孔碳的应用，用于吸附二氧化碳。

17、采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

18、本发明提供的制备方法采用生物质为碳前驱体，然后加入三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵低温煅烧活化和二氧化碳高温炭化制备多孔碳，不仅操作简单、原料来源广泛、简单易得、节约成本；而且制备的该材料应用在二氧化碳吸附上表现出较高的二氧化碳吸附量，具有较好的实用前景。

19、本发明中酸性氧化铝微球能够催化生物质与三聚氰酸聚合，起到固定氮和硫的作用，提高氮和硫含量；碳酸钾微球能够被包覆在生物质与三聚硫氰酸形成的聚合物中，然后在高温阶段分解产生二氧化碳活化多孔碳，达到造孔的目的；高锰酸铵能够起到强氧化作用刻蚀碳材料形成孔结构，同时能够掺杂锰；本发明制备的多孔碳材料对于二氧化碳的吸附主要基于碳材料丰富的孔隙结构，同时含有金属锰的掺杂能够螯合二氧化碳起到化学吸附的效果。

技术特征：

1.一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵的质量比为10：2-4：2-4：3：1-3。

3.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵的质量比为10：3：3：3：2。

4.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述生物质选自壳聚糖、甲壳素和聚天冬氨酸钾盐中的一种或多种。

5.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述步骤a在300℃煅烧3h；所述步骤b中间产物在惰性气体氛围下900度炭化1h。

6.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述球磨转速为200-500转/分钟；球磨时间为3-5h。

7.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述酸洗步骤为将中间产物用5 wt%盐酸溶液酸洗，水洗用去离子水洗涤。

8.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述酸性氧化铝微球的直径1微米，碳酸钾微球的直径5微米。

9.根据权利要求1或2所述的一种生物质多孔碳的制备方法，其特征在于，所述步骤a中煅烧的具体步骤为：以6-8℃/min的升温速率升温至300℃；炭化的具体步骤为：以6-8℃/min的升温速率升温至850-950℃。

10.一种根据权利要求1-9任一项所述的生物质多孔碳的制备方法制备的多孔碳的应用，其特征在于，用于吸附二氧化碳。

技术总结
本发明涉及一种生物质多孔碳的制备方法，包括如下步骤：将生物质、三聚硫氰酸、酸性氧化铝微球、碳酸钾微球和高锰酸铵混合球磨，在250‑350℃煅烧2‑4 h，得到中间产物；将中间产物在惰性气体氛围下850‑950℃炭化，炭化时间0.5‑1.5h，然后酸洗，水洗，得到多孔碳材料。本发明制备方法操作简单，制备的多孔碳材料应用在二氧化碳吸附上表现出较高的二氧化碳吸附量。

技术研发人员：许跃龙,王莎莎,张利辉,刘振法,翟作昭,任斌
受保护的技术使用者：河北省科学院能源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15