一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料及其制备方法与应用与流程
本发明涉及光催化，尤其涉及一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料及其制备方法与应用。
背景技术：
1、目前，化石燃料的大量消耗引起的co2过量排放超出地球的自然循环能力，给全球生态环境和人类健康带来极大影响，致使全球气候变化问题愈发受到关注。因此，如何解决co2过量排放引发自然界碳循环破坏的热点问题，是当前的研究方向。光催化co2转化因其能模拟自然界中的光合作用受到广泛的研究，其可以同时稳定大气中的co2浓度并合成具有高价值的碳氢化合物燃料，以帮助修复自然界中已被破坏的碳循环，在碳减排领域有良好的应用前景。
2、生物质炭(bc)由于其理化性质稳定、无毒、比表面积高和来源广泛等优点，被视为最具有应用前景的光催化材料之一，已被广泛应用于能源转化与环境净化领域。但生物质炭仍然存在以下缺陷，限制其在实际中的应用：(1)co2吸附位点少，其表面主要为含氧的官能团，其对呈路易斯碱性的co2的化学吸附性能较差；(2)量子效率不高，在光照下生成的电子-空穴对易发生复合，因此bc很难应用于光催化还原co2领域。
3、中国专利cn104844264a公开了一种生物质催化液化用多孔陶瓷负载催化剂及制备方法，提及用于生物质热裂解过程中常见的光催化剂，玉米粉为造孔剂，骨料选择氮化铝。但是考虑到玉米粉仅为造孔剂，大规模使用受限等缺陷，现有技术显得略有不足。
技术实现思路
1、解决的技术问题：
2、本发明的目的在于克服现有技术中存在的co2吸附位点少，其表面主要为含氧的官能团，其对呈路易斯碱性的co2的化学吸附性能较差；量子效率不高，在光照下生成的电子-空穴对易发生复合，因此bc很难应用于光催化还原co2领域等技术问题，本申请提供了一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料及其制备方法与应用，提高其光催化co2脱氧制co活性，从而提高太阳能转化化学能的效率。
3、技术方案：
4、为实现上述目的，本申请通过以下技术方案予以实现：
5、一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，包括以下步骤：
6、第一步：按质量体积比将10g玉米芯研磨成玉米粉，玉米粉置于盛有100-500ml去离子水的烧杯中制备生物质炭材料的前驱体，接着将生物质炭材料的前驱体进行超声分散，得到混合分散液用超纯水水洗、干燥，得到干燥物料；
7、第二步：将第一步所得的干燥物料和含氮前驱体进行机械研磨，并将得到的物料置于管式炉中在惰性气体氛围下进行碳化活化，得到碳化活化物料；
8、第三步：将碳化活化物料冷却至室温后依次进行超声3小时、水洗、过滤、烘干，得到氮原位掺杂生物质炭光催化材料。
9、优选的，所述第一步中将农作废弃物玉米芯研磨成粒径过≥100目筛的玉米粉，按质量体积比10g的玉米粉置于盛有200-400ml去离子水的烧杯中制得生物质炭材料的前驱体；超纯水水洗次数为1-5次，超声时间为1-5h，干燥时间为6-20h，干燥温度为50-100℃。
10、优选的，所述第一步中去离子水用量为200-250ml，水洗次数为3次，超声时间为2-4h，干燥时间为10-12h，干燥温度为60-80℃。
11、优选的，所述第二步中含氮前驱体为含氨基的尿素、三聚氰胺或2、4、6-三氨基嘧啶；第二步中含氮前驱体添加量为干燥物料的质量的1-10倍；机械研磨0.1-0.5h；第二步中惰性气体选自氮气、氦气或氩气，碳化活化的温度为400-1000℃，保温时间为0.5-3h，升温速率为0.5-5℃/min。
12、优选的，所述第二步中含氮前驱体添加量为干燥物料的质量的1-5倍，第二步中惰性气体为氮气，碳化活化的温度为500℃，保温时间为2h，升温速率为3℃/min。
13、优选的，所述第三步中碳化活化物料用去离子水进行水洗，去离子水的离子强度为0-20mol/kg，水洗次数为2-3次，干燥时间为2-10h。
14、优选的，所述去离子水的离子强度为0-5mol/kg，水洗次数为3次，干燥时间为3-5h。
15、本申请还公开了上述任一所述制备方法制得的一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料，所述氮原位掺杂生物质炭光催化材料中氮的掺杂量占氮原位掺杂生物质炭光催化材料总质量的10-80％。
16、优选的，所述氮的掺杂量占氮原位掺杂生物质炭光催化材料总质量的15-70％。
17、上述任一制备方法制得的氮原位掺杂生物质炭光催化材料在co2脱氧制co反应中的应用。
18、有益效果：
19、本申请提供了一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料及其制备方法与应用，具备以下有益效果：
20、1、本申请通过原位掺杂的方式，构建了氮原位掺杂的生物质炭光催化材料，引入吡啶氮增强生物质炭的化学碱性，增加对co2的化学吸附；
21、2、本申请提高生物质炭的给电子能力，降低其光致载流子的复合效率，从而使氮原位掺杂的生物质炭的光催化还原co2制co的活性增强，比未修饰的生物质炭有明显改善；
22、3、本申请材料在光催化还原co2制co反应中性能优异，且光催化稳定性高，有效提升农作废弃物的再利用价值；
23、4、采用本发明所述方法制备的基于生物质炭原位氮掺杂的光催化材料，制备工艺简单、安全环保，所用材料来源广泛、价格低廉；
24、5、本发明利用原位掺杂技术，赋予低成本的生物质原料在新兴碳转化领域独特的功能优势，与现有常见光催化剂相比，在催化性能相当的条件下成本可降低80％以上。
技术特征：
1.一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中将农作废弃物玉米芯研磨成粒径过≥100目筛的玉米粉，按质量体积比10g的玉米粉置于盛有200-400ml去离子水的烧杯中制得生物质炭材料的前驱体；超纯水水洗次数为1-5次，超声时间为1-5h，干燥时间为6-20h，干燥温度为50-100℃。
3.根据权利要求2所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述第一步中去离子水用量为200-250ml，水洗次数为3次，超声时间为2-4h，干燥时间为10-12h，干燥温度为60-80℃。
4.根据权利要求1所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中含氮前驱体为含氨基的尿素、三聚氰胺或2、4、6-三氨基嘧啶；第二步中含氮前驱体添加量为干燥物料的质量的1-10倍；机械研磨0.1-0.5h；第二步中惰性气体选自氮气、氦气或氩气，碳化活化的温度为400-1000℃，保温时间为0.5-3h，升温速率为0.5-5℃/min。
5.根据权利要求4所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述第二步中含氮前驱体添加量为干燥物料的质量的1-5倍，第二步中惰性气体为氮气，碳化活化的温度为500℃，保温时间为2h，升温速率为3℃/min。
6.根据权利要求1所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述第三步中碳化活化物料用去离子水进行水洗，去离子水的离子强度为0-20mol/kg，水洗次数为2-3次，干燥时间为2-10h。
7.根据权利要求6所述一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料的制备方法，其特征在于：所述去离子水的离子强度为0-5mol/kg，水洗次数为3次，干燥时间为3-5h。
8.一种权利要求1-7任一所述制备方法制备得到的氮原位掺杂生物质炭光催化材料，其特征在于：所述氮原位掺杂生物质炭光催化材料中氮的掺杂量占氮原位掺杂生物质炭光催化材料总质量的10-80％。
9.根据权利要求8所述氮原位掺杂生物质炭光催化材料，其特征在于：所述氮的掺杂量占氮原位掺杂生物质炭光催化材料总质量的15-70％。
10.一种权利要求1-7任一所述制备方法制得的氮原位掺杂生物质炭光催化材料在co2脱氧制co反应中的应用。
技术总结
本申请公开一种氮原位掺杂生物质炭光催化材料及其制备方法与应用，属于光催化技术领域。本申请使用原位掺杂法，通过对生物质炭材料的前驱体和含氮前驱体进行热解，制备氮掺杂生物质炭材料，可作为光催化剂使用提升CO<subgt;2</subgt;脱氧制CO的催化性能；本申请首先通过超声波空化、去离子水清洗、干燥玉米芯，将干燥的玉米芯与尿素、三聚氰胺或2、4、6‑三氨基嘧啶按一定比例进行机械研磨、高温煅烧、超声、水洗至中性、干燥，获得氮掺杂多孔生物质炭材料。本申请制备方法成本低、步骤简化、氮掺杂效率高，应用于光催化还原CO<subgt;2</subgt;反应时，表面活性位点多，CO<subgt;2</subgt;吸附效率高，光生电荷动力学效率高，催化效率和稳定性好。
技术研发人员：姜志锋,陈甜甜,周敏,解宝盛,施伟东
受保护的技术使用者：江苏华夏制漆科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23