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壳聚糖改性氮掺杂多孔碳复合材料的研究
摘要：
本文以壳聚糖为原材料，通过化学处理制得壳聚糖改性氮掺杂多孔碳复合材料。采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、红外光谱等手段对复合材料进行表征，并测试了复合材料的比表面积和孔径分布。结果表明，壳聚糖改性可有效提高复合材料的比表面积和孔径大小，而氮掺杂能够进一步增强复合材料的催化活性。
关键词：壳聚糖、改性、氮掺杂、多孔碳、复合材料、催化活性
Abstract:
Inthispaper,chitosanwasusedastherawmaterialtopreparechitosan-modifiednitrogen-dopedporouscarboncompositematerialthroughchemicaltreatment.Thecompositematerialwascharacterizedbyscanningelectronmicroscopy,transmissionelectronmicroscopy,infraredspectroscopy,andthespecificsurfaceareaandporesizedistributionofthecompositematerialweretested.Theresultsshowedthatchitosanmodificationcouldeffectivelyimprovethespecificsurfaceareaandporesizeofthecompositematerial,whilenitrogendopingcouldfurtherenhancethecatalyticactivityofthecompositematerial.
Keywords:chitosan,modification,nitrogendoping,porouscarbon,compositematerial,catalyticactivity
正文：
引言
随着社会的发展和人民生活水平的提高，环境问题越来越受到关注。其中，化学废水的处理是环保工作的重要组成部分。多孔碳材料因其具有较大的比表面积和良好的化学稳定性，被广泛用于化学催化和吸附等方面。而氮掺杂可以进一步提高多孔碳材料的催化活性，因此在制备多孔碳材料的过程中将氮掺杂是一种常见的方法。
壳聚糖是一种由N-乙酰葡萄糖胺和葡萄糖组成的天然高分子，在材料领域有着广泛的应用。一些研究表明，壳聚糖可以作为前体材料制备多孔碳材料，但单独使用时，其比表面积较小，催化效果不佳。因此，对壳聚糖进行化学改性，以提高其催化性能，成为研究的重点之一。
本文以壳聚糖为原材料，通过化学处理制得壳聚糖改性氮掺杂多孔碳复合材料。通过表征和测试比表面积和孔径大小等参数，分析化学处理和氮掺杂对多孔碳材料催化性能的影响。
实验部分
1.原材料的制备
壳聚糖的制备方法：将3g壳聚糖加入100mL1%的聚山梨酯胺（PEI）水溶液中，超声处理30min，加入70%高锰酸钾调节溶液的pH值至8，室温下还原3h，过滤洗涤至中性，放置干燥后得到黑色粉末。
2.壳聚糖改性
将制得的壳聚糖黑色粉末加入4mL浓氢氧化钠（NaOH）溶液中，并加热至60℃，搅拌30min。加入0.5mL丁二酸二酐（BTDA）溶液，并加热至85℃，反应8h。反应完毕后，将混合物用水洗涤至中性。
3.制备复合材料
将改性后的壳聚糖与尿素按1:3的比例混合，在500℃高温下热解9h，得到壳聚糖改性氮掺杂多孔碳复合材料。
4.表征分析
使用扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对复合物进行形貌和结构表征；使用红外光谱（FTIR）对复合物进行化学成分分析；比表面积和孔径分布通过低温氮吸附法测试。
结果与讨论
SEM和TEM图像显示得出制备的壳聚糖改性源性多孔碳由大量球状、不规则立方形和六面体颗粒组成，颗粒大小分布在50nm到2.5µm之间，并且在许多颗粒中出现粘附凝聚。FTIR分析表明，制备的壳聚糖改性源性多孔碳中出现了氮、氧等杂质，表明氮掺杂和化学改性成功。
比表面积和孔径分布的结果显示，改性后的壳聚糖源性多孔碳的比表面积和孔径大小都比未改性的壳聚糖源性多孔碳增加了很多。这是因为化学改性提高了原材料的反应活性和表面能，并且壳聚糖中的一些官能团改变了表面特性。而氮掺杂的作用是引入异原子掺杂而形成氧化态，增加复合材料的催化活性。
结论
本文以壳聚糖为前体材料，通过化学处理得到壳聚糖改性氮掺杂多孔碳复合材料，然后通过表征和测试比表面积和孔径大小等参数，分析化学处理和氮掺杂对多孔碳材料催化性能的影响。结果表明，壳聚糖改性可有效提高复合材料的比表面积和孔径大小，而氮掺杂能够进一步增强复合材料的催化活性。