一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用

本发明涉及碳材料，具体涉及一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、挥发性有机化合物(vocs)是常见的空气污染物，其不仅会对人体健康造成极大的危害，而且由于其具有沸点较低、易燃易爆、挥发性大等特性，还会给工业生产过程带来非常大的安全隐患，对其进行有效控制和削减至关重要。吸附技术具有成本低、适应性广等优点，是目前应用最广泛的vocs处理手段，而吸附剂的性能好坏至关重要。多孔碳材料是常用的吸附剂，但存在吸附容量低、针对性差等问题，限制了其进一步推广应用。研究表明，氮掺杂多孔碳材料中的氮原子可以影响周边碳原子的电负性、造成缺陷位点、提供材料表面碱性，其与多孔碳材料相比更加有利于对vocs的吸附，具有更好的应用前景。

2、目前，氮掺杂多孔碳材料的制备方法主要包括以下两种：1)两步热解法：将高含氮生物质作为碳氮源直接进行高温热解，再使用氢氧化钾等活化剂进行活化；2)三步热解法：将碳源碳化，再与氮源(三聚氰胺、尿素、含氮磷酸盐等含氮物质)混合进行共热解实现掺氮，再使用活化剂进行活化。然而，无论是两步热解法还是三步热解法，都存在制备过程复杂、使用的化学试剂腐蚀性强、会造成二次污染、成本高等问题，且都不能有效调节氮掺杂多孔碳材料中的含氮官能团的种类，从而限制了氮掺杂多孔碳材料的大规模生产与使用。

3、因此，开发一种过程简单、绿色环保、成本低的氮掺杂多孔碳材料制备方法，并制备得到含氮官能团的种类可以灵活调节的氮掺杂多孔碳材料具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：

4、1)将生物质废物粉碎后加水进行水热反应，得到多孔碳颗粒；

5、2)将褐球固氮菌接种到阿须贝氏无氮液体培养基中，再加入多孔碳颗粒后进行生物固氮，得到负载有微生物氮的多孔碳颗粒；

6、3)将负载有微生物氮的多孔碳颗粒置于水蒸气-二氧化碳-氮气混合气氛中进行活化，即得氮掺杂多孔碳材料。

7、优选地，步骤1)所述生物质废物为甘蔗渣、枝叶、木屑、果壳中的至少一种。

8、进一步优选地，步骤1)所述生物质废物为甘蔗渣(含氮量≤0.35wt％)。

9、优选地，步骤1)所述生物质废物进行粉碎后形成的颗粒物的直径或长宽为0.5cm～1.5cm。

10、优选地，步骤1)所述生物质废物、水的质量比为1:1～6。

11、优选地，步骤1)所述水热反应在温度为130℃～180℃的条件下进行，反应的时间为10h～15h。

12、优选地，步骤1)中进行水热反应后还进行了产物的过滤分离、干燥和灭菌处理。

13、优选地，所述干燥在温度为80℃～110℃的条件下进行。

14、优选地，所述灭菌处理的方式为紫外灯照射。

15、优选地，步骤2)所述多孔碳颗粒、阿须贝氏无氮液体培养基的添加量比为1g～110g:100ml。

16、优选地，步骤2)所述阿须贝氏无氮液体培养基的ph值为7.0～7.2，具体组成如下：酵母提取物：0.5g/l；甘露醇：20g/l；葡萄糖：5g/l；苹果酸钠：5g/l；蔗糖：5g/l；kh2po4·2h2o：0.2g/l；mgso4·7h2o：0.2g/l；caso4·2h2o：0.1g/l；k2hpo4·3h2o：0.8g/l；na2moo4·2h2o：微量；fecl3·6h2o：微量；溶剂为水。

17、优选地，步骤2)所述阿须贝氏无氮液体培养基进行过灭菌处理。

18、优选地，所述阿须贝氏无氮液体培养基进行灭菌处理的方式为高温灭菌。

19、优选地，步骤2)所述生物固氮在温度为25℃～32℃的条件下进行，固氮的时间为12h～10天。

20、优选地，步骤2)所述生物固氮在振荡下进行，振荡器的转速为160rpm～250rpm。

21、优选地，步骤2)中进行生物固氮后还进行了产物的过滤分离和干燥。

22、优选地，所述干燥在温度为80℃～110℃的条件下进行。

23、优选地，步骤3)所述水蒸气-二氧化碳-氮气混合气氛中水蒸气的体积占比为13％～17％，二氧化碳的体积占比为23％～27％，氮气的体积占比为56％～64％。

24、优选地，步骤3)所述活化在温度为600℃～1000℃的条件下进行，活化的时间为1h～2.5h。

25、一种氮掺杂多孔碳材料，其由上述制备方法制成。

26、一种吸附剂，其包含上述氮掺杂多孔碳材料。

27、一种如上所述的氮掺杂多孔碳材料用于吸附挥发性有机污染物的应用。

28、本发明的有益效果是：本发明利用褐球固氮菌以大气中的氮气作为氮源来制备氮掺杂多孔碳材料，不需要再外加氮源，过程绿色环保，制备成本低，最终可以制备得到主要含氮官能团为吡咯氮的氮掺杂多孔碳材料，且含氮官能团的种类可以进行灵活调节。

29、具体来说：

30、1)本发明通过褐球固氮菌固定大气中的氮气作为氮源对多孔碳材料进行氮掺杂，与现有的氮掺杂方法(例如：化学氮源法)相比，具有工艺简单、无二次污染、生产成本低、绿色环保等优点，且可以实现规划化生产，对产业化有深远影响；

31、2)本发明通过将微生物处理与物理活化法相结合，可以制备得到具有特定形态含氮官能团的多孔碳材料，相比于其他方法得到的多孔碳材料，其对含氮形态的调控更加有效；

32、3)本发明采用的原料为生物质废物，来源丰富，且实现了资源再生利用；

33、4)本发明采用的褐球固氮菌为自然界中广泛存在的微生物，容易存活，且培养所需的条件简单；

34、5)本发明的氮掺杂多孔碳材料的吸附性能好，不仅可以满足不同场合的有机废气处理需求，而且还适用于催化、分离、环保、储能、食品、医药等领域。

技术特征：

1.一种氮掺杂多孔碳材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述生物质废物为甘蔗渣、枝叶、木屑、果壳中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述水热反应在温度为130℃～180℃的条件下进行，反应的时间为10h～15h。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述多孔碳颗粒、阿须贝氏无氮液体培养基的添加量比为1g～110g:100ml。

5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于：步骤2)所述生物固氮在温度为25℃～32℃的条件下进行，固氮的时间为12h～10天。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述水蒸气-二氧化碳-氮气混合气氛中水蒸气的体积占比为13％～17％，二氧化碳的体积占比为23％～27％，氮气的体积占比为56％～64％。

7.根据权利要求1或6所述的制备方法，其特征在于：步骤3)所述活化在温度为600℃～1000℃的条件下进行，活化的时间为1h～2.5h。

8.一种氮掺杂多孔碳材料，其特征在于，由权利要求1～7中任意一项所述的制备方法制成。

9.一种吸附剂，其特征在于，包含权利要求8所述的氮掺杂多孔碳材料。

10.一种如权利要求8所述的氮掺杂多孔碳材料用于吸附挥发性有机污染物的应用。

技术总结
本发明公开了一种氮掺杂多孔碳材料及其制备方法和应用。本发明的氮掺杂多孔碳材料的制备方法包括以下步骤：1)将生物质废物粉碎后加水进行水热反应，得到多孔碳颗粒；2)将褐球固氮菌接种到阿须贝氏无氮液体培养基中，再加入多孔碳颗粒后进行生物固氮，得到负载有微生物氮的多孔碳颗粒；3)将负载有微生物氮的多孔碳颗粒置于水蒸气‑二氧化碳‑氮气混合气氛中进行活化，即得氮掺杂多孔碳材料。本发明利用褐球固氮菌以大气中的氮气作为氮源来制备氮掺杂多孔碳材料，不需要再外加氮源，过程绿色环保，制备成本低，最终可以制备得到主要含氮官能团为吡咯氮的氮掺杂多孔碳材料，且含氮官能团的种类可以进行灵活调节。

技术研发人员：黄皓旻,姚帆,彭炜宵
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29