类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用

本发明涉及催化合成领域，尤其涉及类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、2,5-呋喃二甲酸(fdca)是一种新型生物基单体，具有广泛的用途。它与传统的石油基单体对苯二甲酸(pta)具有相似的结构和反应活性，可作为pta的环保型替代品用于生产聚酯、聚酰胺和其他新型生物基聚合物。相较传统工业生产fdca流程而言，由农林废弃物、有机生活垃圾及畜禽粪便等典型生物质固废为原料经5-羟甲基糠醛(hmf)催化氧化合成fdca的路线是一种原料来源丰富，很有前景、最接近工业化量产的fdca合成途径。目前存在的转化路径主要是以高温、高压、贵金属催化剂和有机溶剂构成的催化体系，在反应条件、能耗、全生命周期环境排放和技术经济性方面仍有较大提升空间。基于此，开发一种绿色环保、低能耗、高效的选择性氧化体系转化hmf合成fdca是各国研究人员所关注的热点。

2、电催化氧化hmf制备fdca是一种以水作为媒介，利用热力学上更有利的5-羟甲基糠醛氧化反应(hmfor)取代析氧反应，以实现温和条件下氧化转化fdca的方法。其与阴极还原析氢反应耦合更是可以显著提高能量利用效率及经济效益，提供了一种可以有效提高能源利用率并联产高附加值化学品和氢能的策略。电催化氧化hmf转化为fdca过程中最重要的是催化剂的选择。碳材料具有优异的物理化学性能和在不同条件下的稳定性。目前，具有不同微观结构和形貌的多种碳材料，如活性炭，介孔碳，石墨烯等，已被用于生物质的高值转化过程。近年来有很多研究者开发出了很多效果优异的氮掺杂碳纳米片作为储能器件或催化剂，但是大多数报道过的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片中都含有金属，以提高氮掺杂碳纳米片的性能。还有中国专利公开了一种二维氮掺杂分级孔碳纳米片的制备方法，包括以下步骤：将含氮的有机金属骨架在气体氛围下于碳化温度910～2000℃进行碳化，降温，得到二维氮掺杂分级孔碳纳米片。该方法使用了锌离子为作为金属离子制备出含氮的金属有机骨架，该方法的无需模板即可制得二维多孔氮掺杂碳纳米片。但此合成方法经历碳化和活化两步过程，工艺复杂，同时前驱体来源相对困难，不易获得，成本较高。中国专利还公开了一种氮磷共掺杂的碳纳米片，该方法采用对苯二胺、对苯二甲醛以及dopo阻燃剂为原料，其为有机试剂，对环境存在污染，不利于大规模生产，且目前还没有通过简单低值且无污染的原料来制取无金属掺杂超薄氮掺杂碳纳米片用于电催化转化hmf生成fdca的发明。

3、因此，如何提供类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片，使其厚度很薄，且在电催化反应中能够达到有效催化5-羟甲基糠醛转化为2,5-呋喃二甲酸的技术效果，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于现有技术中存在的问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种通过简单低值且无污染的原料来制取无金属掺杂超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，利用废弃物制备类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片，使制备得到的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片无金属掺杂，可大规模生产，同时应用在电催化反应中可有效催化5-羟甲基糠醛转化为2,5-呋喃二甲酸。

2、为实现上述目的，本发明提供了类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，所述制备方法包括：

3、s1、将废弃物粉碎，得到粉体；

4、s2、将得到的粉体溶解在尿素水溶液中，依次经搅拌、干燥处理后得到预处理粉体；

5、s3、将得到的预处理粉体热解，得到黑色固体；

6、s4、将得到的黑色固体分散在水中，依次经超声、过滤、干燥处理后得到类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片。

7、在第一方面中，所述废弃物包括葡萄糖、果糖、纤维素、木质素、5-羟甲基糠醛和秸秆中的任意一种。

8、在第一方面中，所述将得到的粉体溶解在尿素水溶液中，依次经搅拌、干燥处理后得到预处理粉体具体包括：所述粉体与尿素水溶液的质量比为0.5～1.5:15～30；所述尿素水溶液的浓度为0.15～0.35g/ml；所述搅拌的搅拌速度为300～500转/分钟，所述搅拌的搅拌时间为45～90分钟，所述干燥的干燥温度为45～90℃，所述干燥的干燥时间为10～18小时。

9、在第一方面中，所述将得到的预处理粉体热解，得到黑色固体具体包括：将得到的预处理粉体放入管式炉中，以80～120ml/min的流速不间断的向管式炉中通入氩气，同时以1～5℃/min的速度升温至300～900℃，并保温热解45～90分钟，得到黑色固体。

10、在第一方面中，所述将得到的黑色固体分散在水中，依次经超声、过滤、干燥处理后得到类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片具体包括：所述超声的超声功率为200～300w，所述超声的超声时间为45～90分钟；所述过滤的滤膜孔径为0.22～0.8微米；所述干燥的干燥温度为45～60℃，所述干燥的干燥时间为10～18小时。

11、在第一方面中，所述将将废弃物粉碎，得到粉体具体包括：将所述废弃物按照下述至少一种方式进行粉碎：球磨、研磨或破碎机破碎。

12、本发明还提供了类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的应用，采用多孔泡沫镍负载的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片作为工作电极电催化5-羟甲基糠醛转化为2,5-呋喃二甲酸，所述类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片为权利要求7所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片。

13、由于采用了以上技术方案，与现有技术相比，本发明具有以下优点：1)本发明使用废弃物作为主要原料，有效的减少了废弃物在环境中对环境的污染，可实现节能减排和绿色低碳，同时废弃物来源广泛，价格低廉，产生的经济效益高；2)以废弃物作为碳源，尿素作为氮源，高温热解后分散在水中依次经超声、过滤、干燥处理后得到类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片，该过程简单方便，可大规模制备；3)制备得到的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片可以在电催化反应中催化5-羟甲基糠醛转化为2,5-呋喃二甲酸，且电催化活性高，电催化转化效果好，2,5-呋喃二甲酸可作为化学中间体，用于生产耐腐蚀的高分子塑料和医药中间体，进一步提高了废弃物的价值，提高了经济效益；4)本发明制备得到的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片厚度很薄，可为1.5nm。

技术特征：

1.类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

2.如权利要求1所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于：所述废弃物包括葡萄糖、果糖、纤维素、木质素、5-羟甲基糠醛和秸秆中的任意一种。

3.如权利要求2所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述将得到的粉体溶解在尿素水溶液中，依次经搅拌、干燥处理后得到预处理粉体具体包括：

4.如权利要求3所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述将得到的预处理粉体热解，得到黑色固体具体包括：将得到的预处理粉体放入管式炉中，以80～120ml/min的流速不间断的向管式炉中通入氩气，同时以1～5℃/min的速度升温至300～900℃，并保温热解45～90分钟，得到黑色固体。

5.如权利要求4所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述将得到的黑色固体分散在水中，依次经超声、过滤、干燥处理后得到类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片具体包括：

6.如权利要求5所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法，其特征在于，所述将将废弃物粉碎，得到粉体具体包括：

7.类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片，其特征在于：采用任一项如权利要求1～6所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的制备方法制备得到。

8.类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的应用，其特征在于：采用多孔泡沫镍负载的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片作为工作电极电催化5-羟甲基糠醛转化为2,5-呋喃二甲酸，所述类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片为权利要求7所述的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片。

技术总结
本发明公开了类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片及其制备方法和应用，该类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片以废弃物为碳源，尿素为氮源，经高温热解制备得到，其中废弃物包括葡萄糖、果糖、纤维素、木质素、5‑羟甲基糠醛和秸秆中的任意一种。同时，本发明将制备得到的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片应用在电催化反应中催化5‑羟甲基糠醛转化为2,5‑呋喃二甲酸，电催化转化效果较好。与现有技术相比，本发明制备类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片的过程简单方便，所需制备原料来源广泛，价格低廉，且具有环境友好性，可大规模生产，同时本发明制备的类石墨烯超薄氮掺杂碳纳米片厚度薄，电催化转化效果好，经济效益高，具有广泛的应用前景和较大的市场潜力。

技术研发人员：王长龙,赵梓伊,宋岷洧
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/25