[发明专利]氮硫掺杂的多孔碳材料和其制备方法及应用

说明书

本案涉及一种氮硫掺杂的多孔碳材料和其制备方法及其应用，是以N‑羧甲基壳聚糖为碳源和氮源，噻吩为硫源，2‑丙烯酰胺基‑2‑甲基丙磺酸为补充氮源和硫源，制得N/S掺杂壳聚糖前驱体，之后在氯化钠和硅酸钠为硬模板，醋酸钾为活化剂条件下，煅烧得到氮硫掺杂的多孔碳材料。多孔碳材料具有较大的比表面积，因而吸附性能好，通过本案的制备方法引入了杂原子N和S，进一步提供更多的活化位点，N和S的比例适中，提高材料的吸附性能的同时保证材料的稳定性，能够进行多次脱附再生，可用于印染废水和重金属废水的吸附处理，吸附率能达到90％以上，具有一定的现实意义。

技术领域

本发明涉及水处理吸附材料领域，具体为一种氮硫掺杂的多孔碳材料和其制备方法及其应用。

背景技术

多孔材料顾名思义即内部具有大量孔结构的材料，孔与孔之间可相互连通或独立。基于多孔材料独特的孔道结构，具备更大的接触面积，因此，多孔材料被广泛应用于大分子载体、催化剂载体、药物包埋载体以及吸附剂等。

目前，随着工业发展的脚步不断加快，随之而来的工业废水问题也愈发严重。通过多孔碳材料的吸附能力去除废水中有害的物质被认为是解决水体环境污染的最高效、最简便的方法之一。工业废水处理中吸附材料通常需要和吸附塔、流化床等设备配合使用，这就需要吸附材料具有均一的尺寸，形状规整，在容器内部各处具有均一的堆积密度，从而最大化的对废水进行吸附处理。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明以N-羧甲基壳聚糖为碳源和氮源，噻吩为硫源，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为补充氮源和硫源，制得N/S掺杂壳聚糖前驱体，之后在氯化钠和硅酸钠为硬模板，醋酸钾为活化剂条件下煅烧，以期获得尺寸均一，孔隙稳定、吸附性好的多孔碳材料。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种氮硫掺杂的多孔碳材料，是以N-羧甲基壳聚糖为碳源和氮源，噻吩为硫源，2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸为补充氮源和硫源，制得N/S掺杂壳聚糖前驱体，之后在氯化钠和硅酸钠为硬模板，醋酸钾为活化剂条件下，煅烧得到氮硫掺杂的多孔碳材料。

本发明进一步提供如上所述的氮硫掺杂的多孔碳材料的制备方法包括如下步骤：

S1、在反应瓶中加入N-羧甲基壳聚糖和水，搅拌均匀后加入十二烷基苯磺酸钠、过硫酸铵，搅拌溶解，通入氮气，升温至60℃，氮气保护下滴加2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和N-对溴苯基甲基丙烯酰胺，搅拌反应5h，冷却后产物倒入无水乙醇中，过滤，之后再抽提、真空干燥、研磨过筛，得聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-对溴苯基甲基丙烯酰胺)接枝壳聚糖；

S2、将得到的聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-对溴苯基甲基丙烯酰胺)接枝壳聚糖和四氢呋喃加到烧瓶中，通入氮气，加入2-三丁基锡-4-己基噻吩和二氯二三苯基邻钯，升温至80℃反应24h，冷却后旋蒸除去溶剂，之后用水和四氢呋喃洗涤，真空干燥，即得N/S掺杂壳聚糖前驱体；

S3、将N/S掺杂壳聚糖前驱体与醋酸钾、氯化钠和硅酸钠加入到去离子水中，搅拌均匀，随后蒸干水分得到固体混合物，固体混合物在氮气下，于500～800℃煅烧2h，将得到的固体研磨后用水和乙醇洗涤三次，烘干后即得氮硫掺杂的多孔碳材料。

进一步地，N-羧甲基壳聚糖在水中的质量分数为1.5～2％。

进一步地，所述步骤S1中，十二烷基苯磺酸钠、过硫酸铵、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸和N-对溴苯基甲基丙烯酰胺与N-羧甲基壳聚糖的质量比为0.03～0.05:0.2:1～4:6～10:1。

进一步地，所述步骤S2中，聚(2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-对溴苯基甲基丙烯酰胺)接枝壳聚糖和2-三丁基锡-4-己基噻吩的质量比为10:0.5～1.5。

进一步地，所述步骤S3中，N/S掺杂壳聚糖前驱体与醋酸钾、氯化钠和硅酸钠的质量比为1:1:10:0.5。