湘潭大学 第十二届大学生研究性学习与创新性实验计划项目申报表

附件4：第十二届大学生研究性学习和创新性实验计划项目申报表项目名称葡萄糖高效转化构建氮掺杂微孔炭材料及其CO2吸附性能研究项目类别创新训练项目创业训练项目□项目科类文科类□理科类□项目级别省部级，如省部级淘汰是否申请转校级校级□项目主持人XXX学生所在学院化工学院专业班级2022级化学工程与工艺1班联系电话12345678987指导老师XXX填表日期2024.02.16湘潭大学教务处制

填写说明一、申报书要按要求逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确严谨。空缺项要填“无”。二、创新训练项目是本科生个人或团队，在导师指导下，自主完成创新性研究项目设计、研究条件准备和项目实施、研究报告撰写、成果（学术）交流等工作。创业训练项目是本科生团队，在导师指导下，团队中每个学生在项目实施过程中扮演一个或多个具体的角色，通过编制商业计划书、开展可行性研究、模拟企业运行、参加企业实践、撰写创业报告等工作。三、格式要求：表格中的字体用小四号仿宋体，1.5倍行距；需签字部分由相关人员以黑色钢笔或水笔签名。均用A4纸双面打印，于左侧装订成册。四、申报省部级项目如未获推荐，同意转校级项目的将参与校级项目的遴选。五、本页不装订。

项目名称：葡萄糖高效转化构建氮掺杂微孔炭材料及其CO2吸附性能研究学生姓名学号专业名称性别入学年份签名指导教师职称项目所属一级学科学生曾经参与科研或创业的情况部分团队成员是化工学院科技创新实践中心学员，组内成员在该组织学习了AutoCADPlant3D,Autodesk3dsMax等软件；2、部分团队成员曾参加全国十二届大学生化工设计竞赛，并获得国家级三等奖；3、部分团队成员曾参加湖南省第八届化工设计竞赛，并获得一等奖；4、部分团队成员是化工学院团委学生会部长级成员，组内成员的团队组织能力以及相关办公软件的操作能力较强；5、团队成员已学习过无机化学，有机化学，物理化学，分析化学，并在这些科目取得了较为优异的成绩；6、部分团队成员参加过2022年暑期三下乡社会实践调研活动；7、团队成员在以往实验过程中求真务实、积极进取，且都具有极大的责任心。指导教师承担科研课题情况[1]\t"/item/%E8%94%A1%E8%BF%9B%E5%86%9B/_blank"国家自然科学基金青年项目；[2]中国博士后科学基金；

[3]清华大学教育部重点实验室基金；[4]中国科学院重点实验室基金；[5]中南大学国家重点实验室基金；[6]\t"/item/%E8%94%A1%E8%BF%9B%E5%86%9B/_blank"湖南省环保厅科技计划项目；[7]湖南省普通高等教学改革项目。项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题实验目的：（1）利用葡萄糖为原料，尿素为渗氮剂，通过K2CO3活化高效制备氮掺杂微孔炭材料；（2）研究各项因素对氮掺杂微孔炭对CO2的吸附性能的影响。实验内容：事实上大多数二氧化碳吸附量（>4.5mmol/g）的含碳材料在1bar和25℃下通过KOH活化合成的，KOH活化能有效地刻蚀各种碳前驱体，形成适合于CO2捕集的微观结构。但是，用KOH激活有两个基本的缺点，阻碍了它的进一步应用。一个问题是造成腐蚀和设备损坏的强烈腐蚀性，特别是在高温下。此外，KOH还有另一个环境缺陷，即需要清洗通过KOH活化的合成产品，以去除可能导致严重污染问题的残留无机材料，因此，使用具有环保性质的温和活化剂研究新的活化程序对于进一步提高用作活性炭的各种脱氢物质的二氧化碳捕集应用系统至关重要。活化剂K2CO3是一种无毒的良好替代品，是一种常见的食品添加剂，通过氧化还原反应，K2CO3可以有效地腐蚀碳前驱体的微孔结构，其方式与KOH活化类似，但程度较低，因此，对K2CO3活化制备的多孔炭的CO2吸收性能的研究具有重要意义。具体包括以下两方面内容：（1）高效转化构建氮掺杂多级孔炭材料考虑到上述因素，以一种典型的生物量葡萄糖为原料，尿素为渗氮剂，通过K2CO3活化合成了掺氮多孔炭吸附剂首先实现了D-葡萄糖的水热处理，然后在不同条件下对所得的合成产品进行尿素处理和K2CO3活化，通过两个合成参数的变化来合成富能的多孔炭。（2）氮掺杂多级孔炭材料的CO2吸附性能研究高的吸附量归因于材料的微孔结构和较高的含氮量，因此为了増强吸附剂对CO2分子的亲和力，可将含氮官能团掺到碳材料中，来提高对CO2的吸附量，微孔可以加强碳材料对CO2气体的吸附，孔径及其分布对多孔材料的性能起着关键作用，微孔吸附势较高，增强气体与碳表面的吸附作用，CO2吸附分离方法成功的关键在于选择吸附容量大、选择性强以及循环再生等性能好的吸附剂。为了使捕集CO2效果更好，一是可以对多孔碳材料自身结构进行调控，增大其比比表面积，提高其机械性能；二是找到更好的改性方法，改变多孔炭材料表面化学性质，更好的吸附CO2，提高吸附性能。要解决的主要问题：（1）制备氮掺杂多孔炭材料往往具有合成步骤复杂且浪费大量时间的缺点，因此如何做到高效合成氮掺杂炭材料成为重要方向。（2）如何通过简化制备方法来进一步降低合成材料的成本，同时要利用无毒性原料合成氮掺杂炭材料，以确保合成过程中环保无污染。国内外研究现状和发展动态随着化石能源的大量使用，导致大气中二氧化碳浓度迅速增加，由于二氧化碳是主要的温室气体之一，其大量排放导致全球变暖，海平面上升和气候异常等一系列生态环境问题，为减少二氧化碳气体的排放，应采取有效的方法对其进行捕集与存储。固体材料吸附法被认为是最有前景的二氧化碳捕集方法。总体上说，固体材料吸附法具有设备投资成本低、操作简单、能耗低、吸附剂再生性能好、以及无设备腐蚀等优点。1.以工业副产品-石油焦为碳源，直接氨氧化、在炭结构中掺氮，最后在不同的条件下KOH活化，制备了一系列石油焦基氮掺杂多孔炭。对得到的氮掺杂材料进行相关表征，探索其二氧化碳捕集性能。结果表明，基于石油焦制备的最优氮掺杂多孔炭，在1bar、25℃下,具有的二氧化碳吸附量达到4.57mmol/g,优于之前的椰壳基氮掺杂多孔炭。此外，该样品在模拟烟气条件下还展现出优异的二氧化碳/氮气分离选择性、循环稳定性、高的初始二氧化碳等量吸附热、快速的吸附动力学和高的动态二氧化碳捕集性能等。石油焦基氮掺杂多孔炭由于其低成本、高效率，显然是二氧化碳捕集最有前景的吸附剂之一。2.以椰壳为制炭前驱体,通过氨氧化-KOH活化的方法制备氮掺杂多孔炭。通过改变制备条件，制得了一系列具有发达孔隙结构的氮掺杂多孔炭材料,并采用多种技术手法对其进行详细的表征，如:扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、元素分析、傅立叶交换红外光谱(FT-IR)、x射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和氮气吸脱附等。同时,还分别考察了所制得的氮掺杂多孔炭样品在1bar、25°C和0°C下的二氧化碳吸附性能。研究发现，这一系列掺氮材料显示出很高的二氧化碳吸附性能,25°C和0°C下材料的吸附量范围分别为3.44-4.26mmoVg和4.77-6.52mmoVg。其中，当活化温度为650°C、KOH与制炭前驱体的质量之比为1:1时，制备的氮掺杂样品NC-650-1，在25°C、Ibar条件下，显示出最高的二氧化碳吸附性能，为4.26mmolg。如此优异的吸附能力是由于该样品具有发达的超微孔孔隙结构和高的氮掺杂量。除了优异的二氧化碳吸附能力,该系列样品还具有较高的二氧化碳/氮气选择性、可重复循环使用性、较高的动态二氧化碳吸附能力和较高的初始二氧化碳等量吸附热(Qa)等优点。此外，由于这些椰壳基氮掺杂多孔炭材料的合成成本低、操作简单，所以其在二氧化碳捕集方面具有很好的应用前景。3.活性炭有大的比表面积及细小的孔隙，表面含有氧官能团，成本低、实用性高等优点。缺点是二氧化碳吸附容量和选择性低。所以通过表面化学修饰引进含氮基团能提高对二氧化碳的吸附能力。Meng等以聚吡咯(PPY)为碳前驱体，氢氧化钠为活化剂，制备氮掺杂活性炭材料。当NaOH的质量是PPY的4倍，活化温度为900℃时，比表面积高达2169m/g,总孔体积为1.591cm2/g.当活化温度为600℃时，含氮质量分数为7.05%，此时二氧化碳吸附量为177m/g.结论指出，高的二氧化碳吸附量是由狭窄的微孔分布和氮碱性基团决定的。Wang等用酪蛋白前驱体，K2CO3为活化剂，制备出氮掺杂活性炭材料。当K2CO3与酪蛋白的质量比为3:1，活化温度为600℃时，材料表现出最好的二氧化碳捕集性能，在25℃、0.1MPa下，二氧化碳的吸附量最高可达5.78mmol/g,但此条件F在所研究的样品中不具有最大的比表面积和最高的氮含量，研究表明吡啶N结构与NH2和OH官能团的结合提高了对二氧化碳的捕集能力。4.碳纤维材料具有耐热性、耐腐蚀性和耐摩擦性等稳定性能，经过高温活化后，可得到高比表面积且微孔结构发达的活性碳纤维，由于其吸附/解吸速度快、吸附容量大等特点，常被用来研究COz的吸附性能。Shen等合成了含氮质量分数高达8.1%，比表面积为2231m/g的分级多孔活性碳纤维。在相同条件下，材料对二氧化碳的吸附量是吸附氮气量的3.3倍。Dicz等研究了不同方法制备的氮掺杂活性碳纤维对二氧化碳吸附的影响，将沥青与树脂混合碳化制备到的氮掺杂活性碳纤维能提高单位微孔体积下的二氧化碳吸附量，而高温下用氨水处理的活性碳纤维却不能增加对二氧化碳的吸附。表明了除微孔体积是影响二氧化碳吸附容量的主要因素外，均匀分布在碳材料中并位于碳基质内部位置的氮元素也能提高二氧化碳的捕集量。Li等通过碳化聚吡略(PPY)前驱体，后经KOH活化制备了多孔碳纳米纤维网，比表面积高达1923m2/g,含氮质量分数为12.27%当KOH/PPY=2，碳化温度为600℃时，二氧化碳吸附量在0.1MPa，0、25℃下分别为6.44、4.22mmol/g。5.碳分子筛是一种新型的吸附剂，其具有较高的耐碱性和耐酸性，良好的疏水性，在较高的温度下具有优异的热稳定性，被广泛的应用于气体分离中。碳分子筛是一种窄孔径分布的多孔碳质材料,其孔隙主要是直径小于1nm的微孔和一定的中孔和大孔，可用活化控制法.致孔剂法.热收缩法和碳沉积法对其微孔孔径调控，从而可以使其孔径与被吸附物质的直径相接近。同时，它可以根据分子的大小、形状、吸附平衡或扩散速率的差异来区分不同的分子，所以被广泛应用在气体分离应用中。在吸附过程中，主要是依靠范德华力的物理吸附，它的吸附特点是选择非极性分子进行吸附。在压力相同时，碳分子筛对不同气体进行吸附，吸附能力存在差别，其排名为:二氧化碳>氧气>氮气，所以碳分子筛可用作高效的二氧化碳吸附剂。碳分子筛在较低的温度的情况下可以再生，所消耗的能量较低，而且其是一种具有硫水性能的吸附剂，所以吸附二氧化碳时不受到水的影响，能同时吸附分离二氧化碳和水。碳分子筛在分离二氧化碳/甲烷中的应用更为广泛，王骏成等以碳分子筛为吸附剂来分离二氧化碳/甲烷实验结果表明碳分子筛对二氧化碳的吸附量远大于其对甲烷的吸附量，二氧化碳/甲烷，分离系数高达12.6。S,Cho等用过氧化氢对碳分子筛改性并应用在分离二氧化碳/CH2反应中，改性后的碳分子筛其微孔数量增加,对二氧化碳的吸附能力更强，这也证明了采取适当的改性方法可更好的提高碳分子筛的吸附性能。近年来，研究人员采用异原子掺杂的方式对碳分子筛进行改性，Xia、Yang等人以微孔分子筛为模板，以含氮聚合物为碳源，采用相化学沉积分子筛模板去除等过程得到氮掺杂分子筛，并对其吸附二氧化碳性能进行研究，Xia等发现具有较高比表面积、发达的微孔和丰富的氮基团的碳分子筛，在常压室温下吸附量为4.38mmol/g。从文献可知，大量的微孔和含氮基团会提高碳分子筛对二氧化碳吸附选择性。参考文献：[1]MengLY,ParkSJ.One-potsyntheticmethodtopreparehighlyN-dopednanoporouscarbonsforCO2adsorption[J]-MaterialsChemistryandPhysics,2014,143(3)1158-1163.[2]WangM,FanxQ,ZhangLx,etal.ProbingtheroleofO-containinggroupsinCO2adsorptionofN-dopedporousactivatedcarbon[J].Nanoscale,2017,9(44):17593-17600.[3]ShenWZ,Zhangsc,HeY,etal.Hierarchicalporouspolyacrylonitrile-basedactivatedcarbonfibersforCOzcapture[J].JournalofMaterialsChemistry,2011,21(36):14036--14040.[4]DiezN,AlvarezP,GrandaM,etal.CO2adsorptiosncapacityanđkineticsinnitrogen-enrichedactivatedcarbonfiberspreparedbydiferentmethods[J]ChemicalEngineeringJournal,2015,281:704-712.[5]LiY,ZouB,HuCW,etal.Nitrogen-dopedporouscarbonnanofiberwebsforeficintCO2captureandconversion[J]-Carbon,2016,99:79-89.[6]SantosMPS.GrandeCA,RodriguesAEPressureSwingAdsorptionforBiogasUpgrading.EffectofRecyelingStreamsinPressureSwingAdsorptionDesign].Industrial&EngineeringChemistryResearch.2011.50(2);:974-985.[7]林庆文.煤基碳分子筛的制备与孔结构调整[D].安徽建筑工业学院,2010.[8]胡逢恺.碳分子筛的制法、性质和用途[J].淮北师范大学学报(自然科学版).2001,（2）280-82.[9]韩莹，林贵平.便携式生保系统碳分子筛净化二氧化碳的数值模拟[J]航天医学与医学工程.2006,19(6):422-424.[10]王骏成，胡明振，孙林兵，等.碳分子筛变压吸附提纯沼气的性能[J]化工进展.2015,34(9):3452-3455.[11]ChoS,LeeD,LeeY.Separationofbhiomassusingcarbonmolecularsievestreatedwithhydrogenperoxide[J]-JoumalofIndustrialandEngineeringChemistry.2015,21:278-282.[12]XiaY,MokayaR,WalkerGs,etal.SuperiorCO2AdsorptionCapacityonN-doped,High-Surface-Area,MicrpousCarbonsTemplatedfromZeolite[J]_AdvancedEnergyMaterials2011,1(4):678-683.本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩团队成员都已有以下相关基础:1.分析化学实验基础：（1）盐酸和氢氧化钠标准溶液的配制和标定：掌握了减量法称取固体物质的方法及滴定终点的判断。掌握了酸碱标准溶液的配制和标定方法；（2）高锰酸钾的配制和标定：学习了用基准物质醋酸钠标定高锰酸钾的原理和方法；（3）EDTA标准溶液的配制和标定：了解EDTA标准溶液的配制和标定，掌握了常用的标定EDTA的方法；（4）水中总硬度的测定：掌握了用铬黑T指示剂的使用条件。2.物理化学知识基础：（1）掌握了克劳修斯克拉佩龙方程及相关方程；（2）了解了理想吸附溶液理论。物理化学实验基础：一级反应——蔗糖的转化：了解旋光仪的基本原理，掌握其使用方法及在化学反应动力学测定中的应用；双液系的气液平衡相图：掌握测定双组分液体的沸点及正常沸点的方法；溶液表面张力的测定：掌握吉布斯公式计算正丁醇溶液的表面吸附量，掌握用最大气泡法测定表面张力的原理和技术。3.无机/有机化学实验基础：（1）铁离子与碘离子反应级数的测定：掌握了测定铁离子与碘离子反应级数的原理和方法、滴定管的使用方法、作图法处理数据；（2）醋酸电离度和电离常数的测定：测定醋酸的电离度和电离常数的方法；（3）乙酸正丁酯的合成:掌握乙酸正丁酯制备方法及带水分分离器的回流装置的安装与操作技术；（4）简单蒸馏法制备无水乙醇：学习实验室制备无水乙醇的原理和方法，学习蒸馏的基本原理，熟练掌握回流装置，蒸馏装置的基本操作技能。项目的创新点和特色创新点：从使用环保性质的K2CO3温和活化剂代替苛性碱KOH活化方面，K2CO3无毒，是一种常见的食品添加剂，同时通过氧化还原反应，K2CO3可以K2CO3可以有效地蚀刻碳前驱体，以类似于KOH活化但腐蚀程度较低的方式生成微孔结构；从构建具有不同微结构的氮掺杂多级孔炭材料方面，通过生物质右旋葡萄糖为原料，尿素为渗氮剂，在相对温和的K2CO3活化条件下构建具有不同微结构和氮掺杂浓度的多级孔炭材料；从氮掺杂多级孔炭材料的CO2吸附性能方面，通过合成碳氮CO2吸附剂，探究CO2吸附性能与氮掺杂多级孔炭材料孔径结构和表面氮官能团之间的构效关系，为有效解决温室效应提供理论基础。特色：多孔炭吸附剂具有制备方便、合成费用低、有效表面积大、表面功能性和多孔性可控、对碱和酸均无惰性、耐湿性高等特性，同时生物质材料成本低、可利用性广、可再生性强。本项目体现了生物质资源循环利用、化学工程、环境工程、环境化学与材料化学等多学科的交叉。项目的技术路线及预期成果技术路线：以生物质右旋葡萄糖为碳源、尿素为渗氮剂构建高比表面积掺氮多级孔炭材料；炭材料微结构和氮官能团与CO2吸附性能的构效关系以生物质右旋葡萄糖为碳源、尿素为渗氮剂构建高比表面积掺氮多级孔炭材料；炭材料微结构和氮官能团与CO2吸附性能的构效关系生物质右旋葡萄糖水热处理生物质右旋葡萄糖水热处理氢化碳氢化碳尿素处理尿素处理K2CO3活化调控比表面积、孔径尺寸分布及表面化学性质吸附剂结构和性能关联K2CO3活化调控比表面积、孔径尺寸分布及表面化学性质吸附剂结构和性能关联葡萄糖高效转化构建氮掺杂微孔炭材料及其二氧化碳吸附性能研究：吸附热力学和吸附动力学研究确定吸附焓、吸附熵、扩散常数等特征参数葡