原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片、方法及应用

技术领域

本发明属于气体吸附分离材料技术领域，尤其是涉及一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片、方法及应用。

背景技术

天然气主要由甲烷(CH

天然气低温精馏分离和烟道气碱液吸收是解决上述问题的经典方法。但精馏分离存在过程复杂、能耗大，碱液吸收存在再生困难、且不利于CO

本发明申请人发现，尽管通过KOH活化可以获得高吸附量氮掺杂多孔碳材料，但活化反应的随机性导致该方法获得的碳材料通常具有离散的孔径分布，进而导致孔结构的有效利用率较低。此外，KOH极强的腐蚀性强以及活化法低产率的特点也限制了其实际应用的可能。而模板法中亚纳米级模板剂的精确合成是该方法应用的最大瓶颈。因此，开发更加安全、高效的碳基吸附剂合成方法对于气体吸附分离工程具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片、方法及应用。有效地避免了传统活化法或模板法存在的腐蚀性、安全性差、工艺复杂等缺点，且合成的Co-NDPC是一种非常有应用前景的CH

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的方法，该方法以聚4-乙烯吡啶(P4VP)和六水合氯化钴(CoCl

优选地，该方法包括以下步骤：

(a)将P4VP和CoCl

(b)将Co-P4VP在氮气气氛中碳化，自然冷却至室温得碳纳米片Co-NDC；

(d)将酸洗涤后Co-NDC用去离子水洗涤至中性后过滤得滤饼，滤饼干燥，得到具有孔径0.5±0.05nm超微孔的超微孔氮掺杂多孔碳Co-NDPC，即为所述的原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片。

优选地，步骤(a)中，所述的P4VP与CoCl

优选地，步骤(b)中，碳化的温度为500～900℃；碳化的时间为2～4h；升温速率为2.5～7.5℃·min

优选地，步骤(c)中，酸溶液为0.5～2.5M的HCl溶液，搅拌的时间为12～36h。

优选地，步骤(d)中，干燥的温度为40～80℃，时间为12～36h。

本发明第二方面提供一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片，采用所述的方法获得。

优选地，该氮掺杂单峰超微孔碳纳米片具有碳纳米片网络结构，比表面积500～1500m

进一步优选地，该氮掺杂单峰超微孔碳纳米片具有独特的碳纳米片网络结构，比表面积900～1200m

本发明第三方面提供所述的原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的应用，将其用作吸附剂，用于C

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过引入Co

2、本发明制备的原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片(Co-NDPC)具有独特的碳纳米片网络结构、高比表面积(900～1200m

3、本发明有效地避免了传统活化法或模板法存在的腐蚀性、安全性差、工艺复杂等缺点，且合成的Co-NDPC是一种非常有应用前景的CH

附图说明

图1为本发明的Co-NDPC的制备过程示意图；

图2为本发明的Co-NDPC-700的形貌特征：(a，b)SEM图像；(c)SEM-mapping；(d-f)不同放大倍率下的TEM图像；

图3为(a)Co-NDPC-500；(b)Co-NDPC-600；(c)Co-NDPC-800；(d)Co-NDPC-900的SEM图像；

图4为Co-NDPCs的(a)N

具体实施方式

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的方法，该方法以聚4-乙烯吡啶(P4VP)和六水合氯化钴(CoCl

更具体地，该方法包括以下步骤：

(a)将P4VP和CoCl

(b)将Co-P4VP在氮气气氛中碳化，自然冷却至室温得碳纳米片Co-NDC；

(d)将酸洗涤后Co-NDC用去离子水洗涤至中性后过滤得滤饼，滤饼干燥，得到具有孔径0.5±0.05nm超微孔的超微孔氮掺杂多孔碳Co-NDPC，即为所述的原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片。

步骤(a)中，优选P4VP与CoCl

步骤(b)中，优选碳化的温度为500～900℃；碳化的时间为2～4h；升温速率为2.5～7.5℃·min

步骤(c)中，优选酸溶液为0.5～2.5M的HCl溶液，搅拌的时间为12～36h。

步骤(d)中，优选干燥的温度为40～80℃，时间为12～36h。

本发明所用气体吸附分离性能评价方法为：

1、样品在0和25℃的静态吸附能力测试

0和25℃，样品对CH

样品循环稳定性通过在Autosorb-iQ2吸附仪上进行连续5次的吸附-脱附实验进行评估。仅在第一次吸附测试开始前对样品进行脱气处理，并在每次脱附结束时称重，以校正样品质量。不同循环之间气体的去除依赖于设备的真空抽吸过程。

2、吸附数据单点Langmuir-Freundlich模型拟合

b是与温度相关的参数，关系如下：

R＝8.314J mol

3、气体吸附选择性预测

样品对不同气体吸附选择性(S)的预测根据理想吸附溶液理论(IAST)计算，算式如下：

上式中x

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例2

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例3

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例4

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例5

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例6

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例7

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

实施例8

一种原位非晶态钴模板法合成氮掺杂单峰超微孔碳纳米片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：a)将0.42g P4VP和1.903g CoCl

表1 Co-NDPCs的组织结构特性和金属Co含量

元素含量：(a)XPS(at％)，(b)ICP-AES(wt％)。

表2实施例在273或298K，1bar时的气体负载量

表3实施例在298K、1bar对x/CH

表4实施例在298K、1bar对CO

Co-NDPC的制备过程示意图如图1所示，图2Co-NDPC-700的形貌特征：(a，b)SEM图像；(c)SEM-mapping；(d-f)TEM图像。图3(a)Co-NDPC-500；(b)Co-NDPC-600；(c)Co-NDPC-800；(d)Co-NDPC-900的SEM图像。图4为Co-NDPCs的(a)N

总之，如图1-4、表1-4所示，以P4VP和CoCl

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。