[发明专利]一种利用废纸制备过渡金属-氮元素共掺杂碳材料的方法

说明书

本发明公开了一种利用废纸制备过渡金属‑氮元素共掺杂碳材料的方法。将废纸样品与过渡金属酞菁衍生物进行复合，然后置于管式炉中进行热解得到过渡金属‑氮元素共掺杂碳材料，复合后留下的过渡金属酞菁衍生物溶液可通过定量加入氯化钠进行富集和分离，实现对过渡金属酞菁衍生物的回收。本发明操作简单，步骤少、实验条件要求低，易规模化。加工方便、节约成本、实现废物利用，且制备得到的复合材料，元素分析结果显示，样品除了碳元素外，还含有过渡金属和氮元素，应用范围广泛。

技术领域

本发明属于碳材料领域，尤其是涉及一种利用废纸制备过渡金属-氮元素共掺杂碳材料的方法。

背景技术

生活垃圾、工业废渣等固体废弃物对环境和人体健康造成了深远的危害。废纸作为城市和工业固体废物的主要成分之一，占木质纤维素废物(农业、城市和工业废物)总量的35％以上。每年，超过4亿吨的废纸产生，作为一种废弃的可回收资源，主要用于造纸工业中纸浆的制备。然而，实际上只有大约50-65％的废纸被回收，这是由于其在每个循环中的纤维强度逐渐减小，降低了新纸的质量，因此，在制造新纸张时平均只能回收2.4次。目前，废纸处理广泛采用填埋、堆肥、焚烧等方法，均表现出二次危害性。

为了更好地回收和处理废纸以保护环境和节约资源，研究者们对废纸转化为有价值产品的应用和技术进行了大量研究。其中，实现这一目标的重要技术之一是热解。热解属于热分解，在无空气条件下进行。由于纸类物质的主要成分为纤维素，热解技术正是利用垃圾中有机质纤维素的热不稳定性，在非氧化环境中高温热解的方法可以直接将含碳废物转化为含碳量相对较高的碳基材料。

碳材料通常具有大的比表面积，有很强的吸附分解、调湿、净化、除臭、远红外线及负离子效能，适用于公共与民用建筑中装填地面和墙壁，碳对水分有吸放调节功能，还能抑制温度上升和霉菌、微生物的繁衍，起到防霉、调节温度的独特作用。此外，碳材料在燃料电池电极中起支撑催化剂层和稳定电极结构的作用，还具备为电极反应提供气体通道、电子通道和排水通道等多种功能。因此廉价而有效的碳材料具有相当可观的市场应用前景。

然而，普通的碳基材料，结构单一、性能稳定、缺少功能性，已经无法满足其各领域的应用需求，例如，面对现如今日益复杂的有机污染物，它的催化活化增益效果已经越来越不明显了。因此，对普通碳材料进行合理地改性和掺杂，有效调控其物化性质，进而增强其其物理化学性能已经成为重要的研究课题。例如，研究人员将氮元素引入到碳纳米材料中，构成氮掺杂碳纳米材料。而引入的这些氮是通过直接加入氮原子或者含氮元素的基团来完成掺杂的，这掺杂会带来碳材料本身结构的改变势必会造成电子缺陷现象的出现。这种缺陷现象的出现会导致纳米材料本身的表面理化现象的改变，使得可以进行对孔结构大小、分布进行局部调控以及材料本身表面电子密度分布的改良，这些改变最终展现出优良的电子传递效率，起到加快反应进程的作用。将金属元素掺杂到碳材料中不仅能增加碳的电导率，也能够提高碳材料的氧还原性能，并赋予其磁学特性。

本发明的目的就是通过对废纸的适当改性，提供一种加工方便、应用范围广泛、节约成本且实现废物利用的过渡金属-氮元素共掺杂碳材料的制备方法。本发明制得的碳材料，由于同时引入了过渡金属和氮元素，在电极材料、分离、吸附、传感、催化及气体储存等领域均有着潜在的应用价值，有望大力促进我国新型碳纳米材料的快速发展。此外，该类碳材料在超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、和燃料电池等领域也将显示出诱人的应用前景。

发明内容

本发明的目的就是提供一种利用废纸制备过渡金属-氮元素共掺杂碳材料的方法。

本发明通过以下技术方案来实现：

将废纸样品与过渡金属酞菁衍生物进行复合，然后置于管式炉中进行热解得到过渡金属-氮元素共掺杂碳材料，复合后留下的过渡金属酞菁衍生物溶液可通过定量加入氯化钠进行富集和分离，实现对过渡金属酞菁衍生物的回收。