含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用技术

本发明专利技术涉及炭材料领域，尤其涉及无需外源活化剂，含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用；该方法包括将植物种植在富含钴元素的土壤或溶液中，进行种植管理，收割植物，得到含钴的根系生物质，洗净、研磨成粉，再将粉末在保护气氛中缓慢升温热解，热解温度不低于700℃，热解后冷却至室温，得到热解产物，将热解产物进行洗涤至洗脱液pH和电导率均接近洗涤液，干燥获得活性炭产物。本发明专利技术利用低能耗的植物仿生制备法来获取含钴生物炭基材料，既能增加活性炭的比表面积，又能实现金属的迁移转化、活性组分在生物炭骨架内的均匀分布，形成活性炭包覆的复合氧化物体系，为材料提供极好的电催化性能和长期稳定性，且实现固废的资源化利用。源化利用。源化利用。

【技术实现步骤摘要】
含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用


[0001]本专利技术涉及炭材料、固体废弃物资源化利用、电催化等领域，尤其涉及一种无需外源活化剂，含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用。

技术介绍

[0002]近年来，为了寻求铂、钯基等贵金属电催化剂的替代品，大量研究集中于氮掺杂碳(石墨烯、碳纳米管、无定形碳等)和碳载非贵金属的过渡金属(例如Co、Fe、Mn、Cu和Pb)基氧化物、硫化物、氮化物、碳化物、磷化物、磷酸盐和合金等材料，它们均表现出良好的电催化活性。尽管石墨烯和碳纳米管可提供良好的导电性能，但由于制备过程中耗能大且使用其他合成化学品，导致其大规模生产仍然是不符合绿色要求的。无定形碳材料能够提供良好的比表面积，为了改善其孔道结构特性，工业上常常利用物理活化(CO2、H2O)、化学活化(H3PO4、ZnCl2、KOH、NaOH等)等方式以制备活性炭，制备成本相对较高。因此寻求无需添加活化剂、拥有高比表面积的无定形碳基复合催化剂是重要的技术方向。
[0003]在世界范围内，污水灌溉、污泥利用以及采矿等许多工作场所普遍存在水体和土壤的重金属污染问题。植物修复法仅利用重金属超累积植物，作为太阳能驱动的“泵”，从污染区域提取和浓缩包含Fe、Ni、Ce、Co、As、Cd、Zn、Pb、Cr和Hg在内的污染金属元素。但是如若将大规模植物修复得到且富含以上金属的超累积生物质直接弃于环境中，其会以二氧化碳等形式挥发至空气中，剩余的金属元素则会直接进入周围水体和土壤环境中，形成二次污染物。生物质热解方法是一种好的处置方式，因为热解产物以气、液、固三种形式实现金属成分的快速回收。氮元素以NO3‑
和NH
4+
存在于水体中，它对于植物的生长是必不可少的，热解后香蒲生物质中大量的氮元素掺杂入生物炭骨架中。受污染的生物质在600℃下热解后，近99％的Pb、Ni、Zn、Cu、Co和Cr可以富集至生物炭中。因此，超累积植物根系生物质由于富集过渡金属元素，经过一步热解(无需添加活化剂)后极有可能转化为高催化活性的生物炭基复合功能材料。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术利用超累积植物对重金属的提取能力，解决水体或土壤中金属污染问题，然后将金属富集后的植物生物质进行热解处理，既能增加活性炭的比表面积，又能实现金属的迁移转化、活性物质在活性炭骨架内的均匀分布，形成活性炭包覆的复合氧化物体系，从而为材料提供极好的电催化性能和长期稳定性。
[0005]本专利技术提供了一种含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，包括以下步骤：
[0006]S1：将植物种植在富含钴元素的土壤或溶液中，进行种植管理，收割植物，得到含钴的根系生物质；
[0007]S2：将步骤S1中得到的生物质充分洗净，然后研磨成粉，备用；
[0008]S3：将步骤S2中的粉末在保护性气氛中缓慢升温热解，热解温度不低于700℃，热
解完全后冷却至室温，得到热解产物；
[0009]S4：将冷却后的热解产物洗涤至洗脱液pH和电导率均接近洗涤液，将热解产物进行干燥，得到活性炭产物。
[0010]进一步地，所述步骤S2中，将生物质研磨成粉后过80目筛。
[0011]进一步地，所述步骤S3中的保护性气氛为N2、Ar、He气氛中的一种。
[0012]进一步地，所述步骤S3中的升温速率不超过6℃min
‑1。
[0013]进一步地，所述步骤S3中的热解温度为700～900℃，热解时间2～4小时，热解完全后自然冷却至室温。
[0014]进一步地，所述步骤S4中的洗涤液为超纯水。
[0015]进一步地，所述步骤S4中，将洗涤后的热解产物在干燥箱中，于100～130℃下干燥至恒重，获得活性炭。
[0016]进一步地，所述步骤S1中的植物为西伯利亚鸢尾。
[0017]进一步地，所述西伯利亚鸢尾种植过程中，实施水分管理，并施加有机肥。
[0018]进一步地，将所述步骤S4中的活性炭用于制备锌空电池氧化还原阴极材料。
[0019]本专利技术由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0020]1)本专利技术首次发现了钴元素对木质纤维素基材料的孔道结构具有重要的改善作用，且“一步法”即可得到功能性催化材料，提供了植物仿生制备法合成电催化剂的新思路，具有潜在的应用价值；
[0021]2)本专利技术提供的制备活性炭的方法简单，利用低能耗的植物仿生制备法来获取含钴生物炭基材料，发现含钴生物质在高温下热解碳化过程中的“自活化”机制，既能增加活性炭的比表面积，又能实现金属的迁移转化、活性组分在生物炭骨架内的均匀分布，形成活性炭包覆的复合氧化物体系，为材料提供极好的电催化性能和长期稳定性；
[0022]3)本专利技术提供的制备活性炭的方法，利用超累积植物对重金属的提取能力，可解决水体中或土壤中金属污染问题；
附图说明
[0023]图1为本专利技术实施例中77K条件下BC2和BC2
‑
Co的氮气吸脱附等温线示意图；
[0024]图2为本专利技术实施例中BC2
‑
Co样品的HR
‑
TEM图；
[0025]图3为本专利技术实施例中BC2
‑
Co和10wt％Pt/C的锌空电池充放电性能比较；其中测试电流密度和催化剂载量分别为5mA cm
‑2和0.5mg(BC2
‑
Co)cm
‑2；
[0026]图4为本专利技术实施例中BC2
‑
Co样品组装成锌空电池的充放电循环测试数据；其中，电流密度和催化剂载量分别为5mA cm
‑2和2mg(BC2
‑
Co)cm
‑2。
具体实施方式
[0027]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0028]本专利技术提供了一种含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，包括以下
步骤：
[0029]S1：将植物种植在富含钴元素的土壤或溶液中，进行种植管理，收割植物，得到含钴的根系生物质；
[0030]S2：将步骤S1中得到的生物质充分洗净，然后研磨成粉，备用；
[0031]S3：将步骤S2中的粉末在保护性气氛中缓慢升温热解，热解温度不低于700℃，热解完全后冷却至室温，得到热解产物；
[0032]S4：将冷却后的热解产物洗涤至洗脱液pH和电导率均接近洗涤液，将热解产物进行干燥，得到活性炭产物。
[0033]本专利技术中采用超累积植物对钴进行富集，可以进行土培或水培，土培的具体过程为，将筛选合格的植株种植在富含钴的土壤中，进行水分管理，并施加有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，其特征在于，包括以下步骤：S1：将植物种植在富含钴元素的土壤或溶液中，进行种植管理，收割植物，得到含钴的根系生物质；S2：将步骤S1中得到的生物质充分洗净，然后研磨成粉，备用；S3：将步骤S2中的粉末在保护性气氛中缓慢升温热解，热解温度不低于700℃，热解完全后冷却至室温，得到热解产物；S4：将冷却后的热解产物洗涤至洗脱液pH和电导率均接近洗涤液，将热解产物进行干燥，得到活性炭产物。2.根据权利要求1所述的含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，其特征在于，所述步骤S2中，将生物质研磨成粉后过80目筛。3.根据权利要求1所述的含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，其特征在于，所述步骤S3中的保护性气氛为N2、Ar、He气氛中的一种。4.根据权利要求1所述的含钴生物质热解“自活化”制备活性炭的方法及应用，其特征在于，所述步骤S3中的升温速率不超过6℃min
‑1。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮鎏，邵雁，毛旭辉，向浩，刘子豪，郭华军，汪远，杨振，胡国峰，许晓明，刘颖，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：