过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法与流程

[0001]
本发明属于燃料电催化技术领域，具体的说是一种将废弃的梅花转化为电化学氧还原催化剂的制备方法和应用；特指一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法。


背景技术：

[0002]
在当今世界迅速发展的时代，全球对能源的需求和利用日益增加。燃料电池由于具有较高的能量转化能力和较低的污染，被认为是未来应对能源危机最具前景的技术之一。然而，发生在阴极的氧还原反应(orr)缓慢的动力学过程是燃料电池的应用和发展的一个“短板”。因此，寻找性能优良的阴极电催化剂已成为当务之急。目前，最高效的商业铂碳(pt/c)催化剂因其成本高、资源稀缺、长期稳定性差、耐甲醇性差等问题，限制了燃料电池的大规模商业化应用。因此，急需开发一种可替代商业pt/c的高效非pt电催化剂。近年来，氮掺杂碳载过渡金属材料因其高活性和高稳定性的氧还原性能，被认为是最具前景的催化材料之一。
[0003]
有研究表明，氮和碳具有相似的原子半径，避免掺杂引起的晶格错配，便于掺杂过程的进行，并且氮的加入能够改变相邻碳原子周围的电荷分布，产生更多有利于氧气吸附和解离的活性位点，促进电子转移。并且材料中的高氮含量，是呈现出优异电化学性能的关键之一。过渡金属元素的加入与氮元素起到协同作用，进一步提高材料催化活性。然而，与pt基材料相比，碳基材料虽成本较低，但制备工艺较为复杂，产量较低，限制了其商业化应用。
[0004]
生物质作为地球中最广泛存在的物质，具有绿色环保、经济可行、可持续等特点，并且生物质由多种有机结构单元组成，便于制备杂原子掺杂碳材料。将落花收集起来，转化为新型碳材料，实现了除观赏性外的其他附加价值。利用生物质开发低成本碳材料催化剂来替代商业pt/c催化剂，是一条价格低廉，制备过程简单，生态环保的路径。


技术实现要素：

[0005]
本发明旨在提供一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法及其应用，本发明方法简便环保，制备的生物质氮掺杂碳管材料具有优异的电催化氧还原性能。
[0006]
本发明提供了一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]
(1)将飘落的梅花收集、清洗、干燥过夜后，在氩气氛围中，升温至200℃并保温3h，自然冷却后得到预碳化的生物质碳；
[0008]
(2)将步骤(1)得到的预碳化的生物质碳与氯化铁浸泡在异丙醇溶液中，常温搅拌6～12h，蒸干；
[0009]
(3)将步骤(2)所得样品与三聚氰胺均匀混合，在氩气氛围中，热解温度为800～
1000℃，保温2h，冷却后得到完全碳化的生物质碳管材料。
[0010]
优选的，步骤(1)中，干燥温度为60℃；升温速率为5℃/min。
[0011]
步骤(2)中，所述的氯化铁与预碳化的生物质碳质量比为1：1～6；优选的，氯化铁与预碳化的生物质碳质量比为1：3。
[0012]
优选的，步骤(3)中，所述的样品与三聚氰胺质量比为1：4。
[0013]
优选的，步骤(2)中，所述蒸干温度为60℃。
[0014]
优选的，步骤(3)中，所述的氩气氛围中，热解温度为900℃。
[0015]
优选的，步骤(3)中，所述的氩气氛围中，升温速率为5℃/min；冷却时，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却。
[0016]
本发明采用生物质梅花作为碳前驱体，氯化铁作为铁前驱体，三聚氰胺作为氮前驱体，通过高温热解获得氮掺杂碳管，材料具有来源广泛、成本低廉、制备简单等优点，便于实现大规模工业化生产。
[0017]
本发明利用金属fe在外层碳壁上催生出碳管，提高了材料导电性，内部碳结构在高温热解氮掺杂过程中形成丰富的孔洞与缺陷，有助于电子及反应物质的传输与扩散。
[0018]
本发明通过添加fe元素的比例，调控碳材料的形貌，氮元素的加入为材料提供了更多的活性位点，提高了催化剂的氧还原活性。
附图说明
[0019]
图1是实施例一制备催化剂在不同放大倍数下的sem图像。
[0020]
图2是实施例一制备催化剂在不同放大倍数下的tem图像。
[0021]
图3是实施例一制备催化剂的xps图全谱(a)，n1s(b)和fe2p(c)的高分辨光谱。
[0022]
图4是实施例一制备催化剂在氮气和氧气饱和的0.1m koh溶液中的循环伏安图。
[0023]
图5是实施例一制备催化剂在o2饱和的0.1m koh溶液中的线性扫描伏安图。
[0024]
图6是各实施例制备催化剂在o2饱和的0.1m koh溶液中的线性扫描伏安对比图。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但不局限于以下实施例。
[0026]
实施例一
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(1)预处理：收集掉落在地的梅花，用去离子水冲洗去除灰尘。将洗净的梅花去蒂后放入烘箱，在60℃中干燥过夜。取适量干燥梅花放入瓷舟，在氩气氛围下的管式炉中，以5℃/min的速率升温到200℃，并在该温度下保温3h，自然冷却到室温后取出，得到棕褐色预碳化梅花。
[0028]
(2)热解处理：待自然冷却后取出，将预碳化梅花放入玛瑙研钵中进行物理研磨，得到梅花粉末。将氯化铁和梅花粉末以质量比1：3，加入到20ml的异丙醇溶液中，常温搅拌12h后，在60℃下旋转蒸干。将干燥后样品与三聚氰胺以质量比1：4在玛瑙研钵中进行物理研磨混合。在氩气气氛下于900℃热解上述混合粉末2小时，升温速率为5℃/min，降温过程中，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却到室温后取出，得到黑色粉末，即为氮掺杂碳管材料。
[0029]
电化学测试条件如下：
[0030]
取2mg制备的氮掺杂碳管材料，超声分散于1ml的水、异丙醇和萘酚(体积比为8：2：0.1)混合溶液中。使用移液枪分三次滴加分散液，共滴加30μl于玻碳电极中心。在o2饱和的0.1mkoh电解质溶液中进行电化学测试，分别以ag/agcl、碳棒和玻碳电极(直径5mm)作为参比电极、对电极和工作电极，构成三电极电化学测试体系。采用旋转环盘电极(rde)、循环伏安法(cv)和线性伏安扫描法(lsv)考察各实施例和对比例所述材料的氧还原催化活性。
[0031]
图1是实施例一制备催化剂的sem图像，从图中可以看出整个碳基材料呈现出多层片状结构，片层上含有孔结构，金属颗粒在生物质碳片层表面催生出碳管，有利于暴露更多的活性位点以及反应物质的传输与扩散，提高了材料的导电性。
[0032]
图2是实施例一制备催化剂在不同放大倍数下的tem图像，从图中可以看出该氮掺杂碳材料中片层褶皱结构与碳管结构共存，碳管和片层内部都包覆着金属颗粒，并且片层上颗粒均匀分散，fe与n的协同作用有利于催化剂氧还原活性的提升。
[0033]
图3是实施例一制备催化剂x射线光电子能谱图、c1s、o1s、n1s和fe2p轨道的全谱图。从高分辨n1s图谱中可以看出吡啶氮(pyridinic-n)和石墨氮(graphitic-n)含量占五种氮构型的主导，其对催化活性的增加有贡献。
[0034]
图4是实施例一制备催化剂分别在氮气和氧气饱和的0.1m koh溶液中的循环伏安图。明显看出在氧饱和环境中有氧还原峰出现而氮饱和环境中没有，证明该氮掺杂碳管具有氧还原性能。
[0035]
图5是实施例一在o2饱和的0.1m koh溶液中的线性扫描伏安图。极限电流密度为5.38ma，超过商业铂碳催化剂，半波电位和起始电位分别为0.835v和0.926v，与商业铂碳催化剂相当。
[0036]
实施例二
[0037]
(1)预处理：收集掉落在地的梅花，用去离子水冲洗去除灰尘。将洗净的梅花去蒂后放入烘箱，在60℃中干燥过夜。取适量干燥梅花放入瓷舟，在氩气氛围下的管式炉中，以5℃/min的速率升温到200℃，并在该温度下保温3h，自然冷却到室温后取出，得到棕褐色预碳化梅花。
[0038]
(2)热解处理：待自然冷却后取出，将预碳化梅花放入玛瑙研钵中进行物理研磨，得到梅花粉末。将氯化铁和梅花粉末以质量比1：1，加入到20ml的异丙醇溶液中，常温搅拌12h后，在60℃下旋转蒸干。将干燥后样品与三聚氰胺以质量比1：4在玛瑙研钵中进行物理研磨混合。在氩气气氛下于900℃热解上述粉末2小时，升温速率为5℃/min，降温过程中，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却到室温后取出，得到黑色粉末。
[0039]
实施例三
[0040]
(1)预处理：收集掉落在地的梅花，用去离子水冲洗去除灰尘。将洗净的梅花去蒂后放入烘箱，在60℃中干燥过夜。取适量干燥梅花放入瓷舟，在氩气氛围下的管式炉中，以5℃/min的速率升温到200℃，并在该温度下保温3h，自然冷却到室温后取出，得到棕褐色预碳化梅花。
[0041]
(2)热解处理：待自然冷却后取出，将预碳化梅花放入玛瑙研钵中进行物理研磨，得到梅花粉末。将氯化铁和梅花粉末以质量比1：6，加入到20ml的异丙醇溶液中，常温搅拌12h后，在60℃下旋转蒸干。将干燥后样品与三聚氰胺以质量比1：4在玛瑙研钵中进行物理
研磨混合。在氩气气氛下于900℃热解上述粉末2小时，升温速率为5℃/min，降温过程中，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却到室温后取出，得到黑色粉末。
[0042]
实施例四
[0043]
(1)预处理：收集掉落在地的梅花，用去离子水冲洗去除灰尘。将洗净的梅花去蒂后放入烘箱，在60℃中干燥过夜。取适量干燥梅花放入瓷舟，在氩气氛围下的管式炉中，以5℃/min的速率升温到200℃，并在该温度下保温3h，自然冷却到室温后取出，得到棕褐色预碳化梅花。
[0044]
(2)热解处理：待自然冷却后取出，将预碳化梅花放入玛瑙研钵中进行物理研磨，得到梅花粉末。将氯化铁和梅花粉末以质量比1：3，加入到20ml的异丙醇溶液中，常温搅拌12h后，在60℃下旋转蒸干。将干燥后样品与三聚氰胺以质量比1：4在玛瑙研钵中进行物理研磨混合。在氩气气氛下于800℃热解上述粉末2小时，升温速率为5℃/min，降温过程中，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却到室温后取出，得到黑色粉末。
[0045]
实施例五
[0046]
(1)预处理：收集掉落在地的梅花，用去离子水冲洗去除灰尘。将洗净的梅花去蒂后放入烘箱，在60℃中干燥过夜。取适量干燥梅花放入瓷舟，在氩气氛围下的管式炉中，以5℃/min的速率升温到200℃，并在该温度下保温3h，自然冷却到室温后取出，得到棕褐色预碳化梅花。
[0047]
(2)热解处理：待自然冷却后取出，将预碳化梅花放入玛瑙研钵中进行物理研磨，得到梅花粉末。将氯化铁和梅花粉末以质量比1：3，加入到20ml的异丙醇溶液中，常温搅拌12h后，在60℃下旋转蒸干。将干燥后样品与三聚氰胺以质量比1：4在玛瑙研钵中进行物理研磨混合。在氩气气氛下于1000℃热解上述粉末2小时，升温速率为5℃/min，降温过程中，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却到室温后取出，得到黑色粉末。
[0048]
不同实施例制备催化剂的生物质氮掺杂碳管催化剂的氧还原性能对比如图6所示，可以明显看出，其中实施例一的氧还原性能超过商业铂碳，具有最优的氧还原催化活性，其他各实施例制备的催化剂的氧还原性能接近商业铂碳。其中实施例二和实施例三对比了不同fe前驱体量对催化剂性能的影响，说明微量fe前驱体的加入有利于催化剂性能的提升。实施例四和实施例五对比了不同热解温度对催化剂氧还原性能的影响，说明热解温度对催化剂的性能有所影响。
[0049]
上述的对实施例和对比例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例和对比例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实验中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例和对比例。本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。