【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳气凝胶材料的制备，具体涉及一种氮掺杂碳气凝胶及其制备方法与应用。
技术介绍
1、二氧化碳捕集与封存（ccs）是减少碳排放和应对全球变暖的重要技术路径。其中，吸附技术因其高效性而备受关注，尤其当吸附剂具备三维互连孔隙结构并能实现快速气体传输时，其应用潜力更为显著。碳气凝胶以其高比表面积、可调密度、高孔隙率、灵活的孔径分布及优良的导电性能而表现出广泛的应用前景。相比传统碳气凝胶，氮掺杂碳气凝胶因更多的活性位点而具备更优越的性能。氮原子取代碳材料中的碳原子后，可有效调控材料的形貌、结构和化学性质，提升其反应活性。此外，氮杂原子的引入可显著增强碳材料表面的碱性活性位点，从而提升其对酸性co2分子的吸附能力和选择性。通过直接活化含氮聚合物，不仅能避免复杂的后处理步骤，还可实现化学组成的精准控制，进一步提高吸附性能。同时，此方法能有效缓解后处理可能引发的活性位点和扩散通道堵塞问题，从而维持材料的高效吸附性能。
2、申请号为201510649028.2（一种氮掺杂碳气凝胶及其制备方法）的中国专利公开了一种制备氮掺杂碳气凝胶的方法，其过程为在间苯三酚溶液中加入间苯二酚和甲醛溶液，搅拌后添加碳酸钾以形成气凝胶，该气凝胶经丙酮溶剂交换处理后，制备成间苯三酚-间苯二酚-甲醛凝胶，通过超临界二氧化碳萃取和干燥步骤得到干凝胶，最终通过碳化制备出氮掺杂碳气凝胶。申请号为201711206128.3（一种制备氮掺杂碳气凝胶的方法）的中国专利提出一种以豆渣为碳源的制备工艺，具体操作为将豆渣与浓硫酸混合搅拌，形成碳溶胶前驱体，稀释后经
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种氮掺杂碳气凝胶及其制备方法与应用。
2、所述碳气凝胶采用冷冻结晶和后续聚合的策略，利用两种成本低廉且氮含量丰富的前驱体——丙烯酰胺（am）和苯胺（ani），制备了一种三维互连的碳气凝胶。首先制备高吸收性的三维连通的聚丙烯酰胺（pam）介质；然后利用其高强度的吸收性，低温状态下充分吸收苯胺的反应液（确保足量的苯胺反应液），冷冻条件下，苯胺在冰晶的作用下均匀分散并有序聚合，解决了传统聚苯胺（pani）制备的团聚难以分散的问题。最后采用活化剂对气凝胶进行活化造孔。所述碳气凝胶因其高氮含量、富含大量碱性活性位点以及三维互连的微孔结构，显著提升了co2的吸附能力。
3、为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
4、一种氮掺杂碳气凝胶的制备方法，包括以下步骤：
5、（1）高吸收性pam气凝胶制备
6、将丙烯酰胺（am）和n,n'-亚甲基双丙烯酰胺（mba）交联剂溶解于去离子水中，充氮驱氧后，搅拌直至完全溶解形成均匀溶液；在-5 ~ 0℃下向所述溶液中加入预冷的过硫酸铵（aps）和n,n,n',n'-四甲基乙二胺（temed）；搅拌均匀后，迅速倒入硅胶模具中，在-40 ~-25℃下冷冻聚合；再经融化、洗涤、干燥，得到具有高吸收性的三维连续孔道结构的pam气凝胶；
7、本专利技术为获得高吸收性三维孔道结构的pam气凝胶，采用的方法为冷冻结晶聚合法，实现了以水作为溶剂，将丙烯酰胺单体与n,n'-亚甲基双丙烯酰胺（mba）交联剂的水溶液共聚；
8、（2）pani均匀分散并聚合
9、将苯胺（ani）在氮气气氛下逐滴加入酸性溶液中，充分搅拌以确保完全溶解，然后进行预冷却；使用微波辅助超声在去离子水中溶解过硫酸铵（aps）并进行预冷却；当两种预冷却的溶液中出现小冰晶时，迅速将两种预冷却溶液混合并充分搅拌；随后加入预冷却的pam气凝胶，混合均匀后，将混合物置于-40 ~ -25℃环境下冷冻聚合，再经融化和干燥；混合液降温并结晶过程中，溶剂水结晶成为致孔剂，并与溶质相分离，溶质相不断浓缩，促使ani溶质自组装在三维互连的pam气凝胶中完成聚合铺展，最终形成聚合物（pani@pam）气凝胶；
10、（3）活化及碳化处理
11、将pani@pam气凝胶在氮气下充分粉碎研磨，并加入活化剂混合均匀；在流动氮气（n2）氛围下以一定升温速率进行充分煅烧活化；后在酸性溶液中浸泡以去除残留的活化剂，并洗涤干燥完全，得到所述氮掺杂碳气凝胶。所述聚合物进行活化，能够避免活性位点的丢失，并保留pam气凝胶的三维互连的孔道结构，为co2高速流提供快速的通道。
12、优选的，步骤（1）中的所述反应体系中，丙烯酰胺（am）、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺（mba）、去离子水的质量体积比为（0.5 g ~ 1.3 g）：（0.1 g ~ 0.2 g）：（5 ml ~ 20 ml）。
13、进一步优选的，步骤（1）中的所述过硫酸铵（aps）加入方式为0.3 ml ~ 0.6 ml质量分数为5% ~ 20%的aps水溶液，所述n,n,n',n'-四甲基乙二胺（temed）加入方式为0.1 ml~ 0.3 ml质量分数为5% ~ 15%的temed水溶液。
14、优选的，步骤（1）中所述充氮驱氧时间为2 ~ 4 h；于-40 ~ -20℃下冷冻聚合16 ~24 h；所述融化温度为20 ~ 26℃；洗涤采用乙醇超声清洗和去离子水清洗至中性，完全去除未反应单体。
15、优选的，步骤（2）中酸性溶液为盐酸（hcl），或植酸（c6h18o24p6）、硫酸（h2so4）或硝酸（hno3）的水溶液，更优选的，所述酸性溶液为盐酸。
16、优选的，步骤（2）中酸性溶液的浓度为1 ~ 3 mol/l，体积为4 ~ 6 ml；所述预冷却的温度均为-10 ~ 0℃。
17、优选的，步骤（2）中所述苯胺的体积为2 ~ 5 ml，浓度＞99.5%；过硫酸铵的质量为1 ~ 2 g，体积为1 ~2 ml；pam气凝胶的质量为0.1 ~ 0.5 g；所述在-40 ~ -25℃环境下冷冻聚合时间为18 ~ 24 h；所述融化温度为30 ~ 40℃；所述干燥为在40 ~50℃烘箱中干燥12 ~ 18 h。
18、优选的，步骤（3）中活化剂为碳酸钾（k2co3）、氢氧化钾（koh）、磷酸（h3po4），更优选的，所述活化剂为k2co3或koh。
19、优选的，步骤（3）中所述活化剂与pani@pam气凝胶的质量比为(1~ 4):1。
20、优选的，步骤（3）中所述流动氮气的流速为0.4 ~ 1 l/min；所述煅烧升温速率为1~ 10℃/min，所述煅烧温度为400 ~900℃，所述充分煅烧活化时间为2 ~ 4 h。
21、优选的，步骤（3）中酸性溶液为盐本文档来自技高网...
【技术保护点】
1. 一种氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的所述反应体系中，丙烯酰胺、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、去离子水的质量体积比为（0.5 g ~ 1.3g）：（0.1 g ~ 0.2 g）：（5 mL ~ 20 mL）；
3. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述充氮驱氧时间为2 ~ 4 h；于-40 ~ -20℃下冷冻聚合16 ~24 h；所述融化温度为20 ~ 26℃；洗涤采用乙醇超声清洗和去离子水清洗至中性，完全去除未反应单体。
4. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中酸性溶液为盐酸，或植酸、硫酸或硝酸的水溶液；优选的，所述酸性溶液为盐酸；优选的，步骤（2）中酸性溶液的浓度为1 ~ 3 mol/L，体积为4 ~ 6 mL；所述预冷却的温度均为-10 ~ 0℃。
5. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述苯胺的体积为2 ~ 5 m
6.根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）中活化剂为碳酸钾、氢氧化钾或磷酸；优选的，所述活化剂为K2CO3或KOH；
7. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）中所述流动氮气的流速为0.4 ~ 1 L/min；所述煅烧升温速率为1 ~ 10℃/min，所述煅烧温度为400~900℃，所述充分煅烧活化时间为2 ~ 4 h；
8. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（3）中酸性溶液的浓度为1 ~ 3 mol/L，浸泡时间为4 ~ 6 h；
9.根据权利要求1-8任一项所述制备方法制得的氮掺杂碳气凝胶。
10.根据权利要求9所述的氮掺杂碳气凝胶在CO2吸附中的应用。
...【技术特征摘要】
1. 一种氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中的所述反应体系中，丙烯酰胺、n,n'-亚甲基双丙烯酰胺、去离子水的质量体积比为（0.5 g ~ 1.3g）：（0.1 g ~ 0.2 g）：（5 ml ~ 20 ml）；
3. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（1）中所述充氮驱氧时间为2 ~ 4 h；于-40 ~ -20℃下冷冻聚合16 ~24 h；所述融化温度为20 ~ 26℃；洗涤采用乙醇超声清洗和去离子水清洗至中性，完全去除未反应单体。
4. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中酸性溶液为盐酸，或植酸、硫酸或硝酸的水溶液；优选的，所述酸性溶液为盐酸；优选的，步骤（2）中酸性溶液的浓度为1 ~ 3 mol/l，体积为4 ~ 6 ml；所述预冷却的温度均为-10 ~ 0℃。
5. 根据权利要求1所述的氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于，步骤（2）中所述苯胺的体积为2 ~ 5 m...
【专利技术属性】
技术研发人员：张东翔，张子磊，李大刚，谭昊存，杨乐，张凤麒，后金正，檀润超，
申请(专利权)人：深圳北理莫斯科大学，
类型：发明
国别省市：
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