[发明专利]一种多级多孔结构的整体式氮掺杂碳催化材料、制备方法及其应用

权利要求书

1.一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其步骤如下：

1）将0.5~2.0 g盐类牺牲模板加入到5~20 mL去离子水中，再依次缓慢将0.2~2.0 g氮源和0.2~1.0 g天然碳源分别缓慢加入其中，期间以500~800 rpm的转速持续搅拌，且在碳源加入后将反应体系加热升温至60~90 ℃；待原料完全溶解后，再缓慢加入去离子水用量的2~15 wt%的流变调节剂，待其完全溶解后关闭加热，持续搅拌至溶液冷却为室温，即得到具有3D打印适性的氮掺杂碳水凝胶前体；盐类牺牲模板为氯化钠、硝酸钠中的一种；氮源为尿素、三聚氰胺中的一种；

2）利用三维建模软件设计适用于流动式废水连续处理的整体式催化剂的网格状结构模型，然后将建立的模型导入直接墨水书写 (DIW) 打印设备配置电脑中的3D打印软件，并设置适宜的打印参数：层高=针头直径×0.6~0.9，层数=3~30，填充度=15%~40%，速度=2~15mm/s；

3）将步骤1）得到的冷却至室温的氮掺杂碳水凝胶前体放入一次性注射器针筒中，离心2~10 min去除气泡，将针筒与18、20、22或25号打印针头连接并加装在直接墨水书写打印设备上；之后在亚克力板上进行打印，打印完成后通过浇注液氮来迅速完成冷冻，最大程度地保持形态，从而得到3D打印水凝胶样品；18、20、22、25号打印针头的直径分别为0.84 mm、0.60 mm、0.41 mm、0. 26mm；

4）将步骤3）得到的3D打印水凝胶样品真空冷冻干燥，水凝胶转化为气凝胶，再于惰性气氛下在500~1000 ℃下热解0.5~2 h；热解完成后，再经大量去离子水搅拌洗涤，以除去热解得到的材料中存在的盐类牺牲模板的晶体颗粒；最后，将打印样品干燥过夜，从而得到具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶。

2.如权利要求1所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的天然碳源材料为琼脂糖、果胶、明胶、壳聚糖、海藻酸钠、纤维素类衍生物中的一种。

3.如权利要求1所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤1）所述的流变调节剂为羟丙基甲基纤维素、 羟丙基纤维素、羟乙基纤维素、3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷、纳米黏土中的一种。

4.如权利要求1所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤2）所述的三维建模软件为Solidwork、Cinema 4D、3DSMax、Rhinocero中的一种；所述的3D打印软件为RepetierHost、Simplify3D、Slic3r、3DXpert中的一种。

5.如权利要求1所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤4）所述的真空冷冻干燥的温度为-40~-80℃，真空冷冻干燥时间为2~72 h。

6.如权利要求1所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶的制备方法，其特征在于：步骤4）所述的干燥的温度为40~90℃，干燥时间为2~48 h。

7.一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶，其特征在于：是由权利要求1~6任何一项所述的方法制备得到。

8.权利要求7所述的一种具有可自支撑多级多孔结构的3D打印整体式氮掺杂碳气凝胶在污水净化中的应用。