本發(fā)明涉及一種生物質(zhì)制備多級孔磷摻雜碳材料的方法，包括以下步驟：首先將生物質(zhì)粉碎為微小顆粒；然后將粉碎后的生物質(zhì)顆粒與含磷酸性溶液按一定比例混合均勻形成混合物；并將混合物放入水熱反應(yīng)釜中，在一定溫度下進(jìn)行水熱反應(yīng)，生成水熱碳；將水熱反應(yīng)后得到的水熱碳進(jìn)行脫水、干燥；將干燥后的水熱碳放入熱解爐中，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行快速熱解，并得到快速熱解后的多級孔磷摻雜碳材料；本發(fā)明選用快速熱解的方案與磷酸水熱預(yù)炭化結(jié)合，這樣只需在很短的時間內(nèi)進(jìn)行快速熱解即可達(dá)到非常理想的效果，大大提高了制碳效率同時顯著降低了能耗；同時磷的存在可以起到很好的固碳作用，提高炭得率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于磷摻雜碳材料制備領(lǐng)域，尤其是生物質(zhì)制備多級孔磷摻雜碳材料領(lǐng)域。

背景技術(shù)

生物質(zhì)是僅次于煤炭，石油和天然氣的世界第四大能源，約占世界一次能源消耗的14％。中國每年生產(chǎn)大約24億噸的廢棄生物質(zhì)(農(nóng)作物稻稈、木屑、雜草等)。這些廢棄生物質(zhì)蘊(yùn)藏的能源相當(dāng)于10億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤，是一個巨大的資源寶庫。但是，由于勞動成本高、經(jīng)濟(jì)效益低以及日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，目前生物質(zhì)的回收利用并沒有得到廣泛的推廣，大部分的生物質(zhì)被直接廢棄；碳材料以其良好的表面化學(xué)性質(zhì)、優(yōu)良的機(jī)械穩(wěn)定性、豐富的孔道及優(yōu)異的導(dǎo)電性等特點(diǎn)，在催化、儲氫、分離和吸附、電化學(xué)等方面表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢和潛力。在當(dāng)前資源短缺、能源日漸枯竭、環(huán)境惡化的情況下，利用資源豐富的生物質(zhì)廢棄物(如各種秸稈、谷殼、木屑等)為原料制備活性炭，即生物質(zhì)基活性炭，被認(rèn)為是利用廢棄生物質(zhì)的最有效的方式之一；近年來，為了進(jìn)一步改善碳材料在催化、吸附、傳感、電化學(xué)等方面的應(yīng)用，通過對表面和結(jié)構(gòu)的改性使碳材料獲得獨(dú)特性能是近年來的研究熱點(diǎn)之一,許多學(xué)者對磷摻雜碳材料的研究有所增加，與純碳材料相比，含磷碳材料含有親水性酸表面和化學(xué)穩(wěn)定性，對具有堿性的金屬離子和有機(jī)分子顯示出高吸附能力，具有酸性性質(zhì)的含磷碳在多種反應(yīng)中具有良好的催化活性。

目前，將磷元素引入碳結(jié)構(gòu)的方法可分為三大類:

(1)將含碳前體與含磷化合物物理混合或化學(xué)鍵合后進(jìn)行熱處理：這種方法是指使用含碳前體與含磷化合物進(jìn)行混合后進(jìn)行碳化或者將含碳前體與含磷化合物進(jìn)行反應(yīng)得到含磷有機(jī)物后碳化，在碳化過程中將磷原子引入碳骨架中。這種方法工藝簡單，但使用有機(jī)碳前體和含磷配體通常成本較高。

(2)后處理摻雜法：這種方法通常是指在活性炭材料上通過干法或濕法等表面修飾引入含磷原子的官能團(tuán)，這種方法有可能會造成活性炭結(jié)構(gòu)塌陷，導(dǎo)致其比表面積下降，由于活性炭材料化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，均勻摻入磷原子較為困難。

(3)氣相沉積碳和磷：這種方法是指在中溫或高溫下，通過氣態(tài)含碳和磷的化合物之間發(fā)生氣相化學(xué)反應(yīng)而形成固體物質(zhì)沉積在基體上而制備的含磷碳，也可以采用等離子和激光輔助技術(shù)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使沉積可在較低的溫度下進(jìn)行。這種方法對設(shè)備要求高，價(jià)格昂貴，技術(shù)要求高，操作比較困難。

近年來，一些發(fā)明公開了磷摻雜碳材料的制備方法，但這些方法與本發(fā)明都存在明顯差異。例如以下已有的專利：

a)CN201710764307.2一種磷摻雜生物質(zhì)分級孔炭材料的制備方法及其應(yīng)用，該專利涉及了一種磷摻雜生物質(zhì)分級孔碳材料的制備，所述制備方法按照如下步驟進(jìn)行：先將干燥的生物質(zhì)粉碎后，放入植酸鹽溶液中充分浸漬數(shù)小時。然后在惰性氣體保護(hù)下500～1000℃恒溫?zé)崽幚?～10h。經(jīng)過酸煮、水煮，除去雜質(zhì)，烘干后制得比表面積為800～2100cm2/g的磷摻雜生物質(zhì)分級孔炭材料；該專利中涉及的制備方法為一步高溫直接碳化法，與本專利中的磷酸水熱預(yù)處理聯(lián)合快速熱解的方法不同，以含磷有機(jī)鹽類物質(zhì)為模板劑和磷摻雜劑及造孔劑，區(qū)別于本專利中所用的磷酸溶液。磷酸水熱不僅起到一定的磷摻雜作用，同時也起到催化生物質(zhì)水解、碳化、造孔、除灰等作用，利于制備高性能碳材料；上述專利雖可獲得多級孔材料，但熱解時間較長，磷摻雜量較低。