一种胺改性氮掺杂碳材料及其制备方法和应用

本发明涉及二氧化碳吸附材料，尤其涉及一种胺改性氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、自工业革命以来，人类向大气中排入大量烟道气等废气，其中二氧化碳等温室气体逐年增加，大气的温室效应也随之增强，其引发的一系列问题已引起了世界各国的关注。

2、在二氧化碳的吸附技术中，固体吸附剂占据着重要一席。其中碳材料作为多孔材料，孔径可调，比表面积大，化学性能稳定，最重要的是廉价易得，因此在二氧化碳吸附中受到广泛的关注。虽然单纯的碳材料吸附二氧化碳的速率很快，但是常压低温条件下吸附量不是很理想，同时选择性和重复使用性也较差(carbon-based adsorbents for post-combustion capture:a review[j].greenhouse gas-sci.technol.2018,8(11–36))。针对这些问题，开发一种成本低廉，吸附性能卓越，重复使用性突出的二氧化碳吸附剂成为了亟待解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种胺改性氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。本发明提供的胺改性氮掺杂碳材料在低温、常压在的二氧化碳吸附性能好，重复使用性好，并且制备方法简单，成本较低。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、一种胺改性氮掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：

4、将糖类碳源和含氮胺类碳源混合研磨，将所得混合料进行碳化，得到多孔碳材料；

5、将所述多孔碳材料在胺类化合物溶液中浸渍，得到所述胺改性氮掺杂碳材料。

6、优选的，所述糖类碳源包括蔗糖、葡萄糖、壳聚糖和纤维素中的一种或多种；所述含氮胺类碳源包括二氰二胺、三聚氰胺和尿素中的一种或多种。

7、优选的，所述糖类碳源和含氮胺类碳源的质量比为1:10～50。

8、优选的，所述碳化的温度为500～900℃，保温时间为2～6h；所述碳化在氮气气氛中进行。

9、优选的，所述胺类化合物包括聚乙烯亚胺、四乙烯五胺和五乙烯六胺中的一种或多种；所述胺类化合物溶液的溶剂为醇类溶剂；所述胺类化合物和多孔碳材料的质量比为0.2～0.65:1。

10、优选的，所述浸渍的温度为室温，所述浸渍的时间为0.5～2h。

11、本发明还提供了上述方案所述制备方法制备得到的胺改性氮掺杂碳材料，包括多孔碳材料和负载在所述多孔碳材料中的胺类化合物。

12、本发明还提供了上述方案所述的胺改性氮掺杂碳材料在二氧化碳吸附中的应用。

13、优选的，所述二氧化碳为烟道气中的二氧化碳，所述吸附的温度为30～90℃，压力为常压。

14、优选的，所述胺改性氮掺杂碳材料吸附二氧化碳后，还包括将吸附二氧化碳后的胺改性氮掺杂碳材料进行脱附，所述脱附的方法为：将吸附二氧化碳后的胺改性氮掺杂碳材料进行氮气吹扫；所述氮气吹扫的温度为100～120℃。

15、本发明提供了一种胺改性氮掺杂碳材料的制备方法，包括以下步骤：将糖类碳源和含氮胺类碳源混合研磨，将所得混合料进行碳化，得到多孔碳材料；将多孔碳材料在胺类化合物溶液中浸渍，得到所述胺改性氮掺杂碳材料。本发明采用含氮胺类化合物提供氮源，利用糖类化合物辅助含氮胺类化合物进行碳化，能够使所得多孔碳材料的微观结构具有更大的孔径和孔体积，从而提高最终所得所述胺改性氮掺杂碳材料的二氧化碳吸附性能。同时，本发明采用的原材料来源广泛，成本低廉，合成方法简单，一步法合成了材料载体，再经过浸渍就达到了使用要求，更重要的是并没有使用制备其他二氧化碳吸附剂时所需要的强酸、强碱等对生产设备有极高要求的原料，利于工业化应用。实施例结果表明，在低温常压下，本发明制备的胺改性氮掺杂碳材料在2h内对烟道气中二氧化碳的吸附量可达到4.3mmol/g，并且重复使用性能好，重复使用10次后，二氧化碳的吸附量下降很少。

技术特征：

1.一种胺改性氮掺杂碳材料的制备方法，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，所述糖类碳源包括蔗糖、葡萄糖、壳聚糖和纤维素中的一种或多种；所述含氮胺类碳源包括二氰二胺、三聚氰胺和尿素中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述糖类碳源和含氮胺类碳源的质量比为1:10～50。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化的温度为500～900℃，保温时间为2～6h；所述碳化在氮气气氛中进行。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述胺类化合物包括聚乙烯亚胺、四乙烯五胺和五乙烯六胺中的一种或多种；所述胺类化合物溶液的溶剂为醇类溶剂；所述胺类化合物和多孔碳材料的质量比为0.2～0.65:1。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述浸渍的温度为室温，所述浸渍的时间为0.5～2h。

7.权利要求1～6任意一项所述制备方法制备得到的胺改性氮掺杂碳材料，包括多孔碳材料和负载在所述多孔碳材料中的胺类化合物。

8.权利要求7所述的胺改性氮掺杂碳材料在二氧化碳吸附中的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述二氧化碳为烟道气中的二氧化碳，所述吸附的温度为30～90℃，压力为常压。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述胺改性氮掺杂碳材料吸附二氧化碳后，还包括将吸附二氧化碳后的胺改性氮掺杂碳材料进行脱附，所述脱附的方法为：将吸附二氧化碳后的胺改性氮掺杂碳材料进行氮气吹扫；所述氮气吹扫的温度为100～120℃。

技术总结
本发明涉及二氧化碳吸附材料技术领域，提供了一种胺改性氮掺杂碳材料及其制备方法和应用。本发明通过糖类辅助含氮胺类化合物碳化制得多孔碳材料，并经过胺类化合物浸渍改性得到胺改性氮掺杂碳材料。本发明制备的胺改性氮掺杂碳材料具有优异的二氧化碳吸附性能，在低温常压下，2小时内对烟道气中二氧化碳的吸附量可达到4.3mmol/g，并且重复使用性能好，重复使用10次后，二氧化碳的吸附量下降很少。本发明提供的制备方法简单，只需要两步就能得到目标产物，并且使用原料来源简单，成本低廉，更重要的是没有使用制备其他二氧化碳吸附剂时所需要的强酸、强碱等对生产设备有极高要求的原料。

技术研发人员：崔新江,尹爱华,石峰,尹建华,张伟,王小波,刘士民,梁雄
受保护的技术使用者：中国科学院兰州化学物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4