一种双功能催化剂的制备方法

本发明属于电化学与新能源材料制备领域，具体涉及一种双功能催化剂的制备方法。

背景技术：

1、化石燃料的过度使用已然造成世界能源危机，而其使用的产生的二氧化碳等废弃物对环境造成了极大的影响，严重威胁着人类社会的可持续发展。为了取代化石燃料能源，人们将目光放在了环境友好型的绿色能源存储/转化设备，如超级电容器、二次电池和燃料电池等。

2、众所周知，orr过程和oer过程是两个相反的过程，要把催化剂设计成同时具有orr和oer双功能异常困难。氧还原反应(orr)对应于电池的放电过程，氧析出反应(oer)对应于电池的充电过程，现有技术中，同时具有orr和oer性能的催化剂通常涉及到两步高温煅烧，过程复杂，且在钴引入的过程中容易导致钴分布不均影响其催化效果。现有技术采用浸泡的预处理方法，碳化后的催化剂往往需要酸洗，工序繁杂、耗时长、效率低。因此，本领域需要开发一种一步法制备同时具有优异orr和oer性能的催化剂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术不足，提供了一种双功能催化剂的制备方法，将生物质在溶解有钴盐的过饱和铵盐中浸渍，然后经碳化反应可实现一步法引入钴和氮，所制得的催化剂具有较好的orr和oer功能。

2、本发明的另一目的在于提供一种双功能催化剂。

3、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：

4、一种双功能催化剂的制备方法，包括以下步骤：

5、s1.将干燥的生物质浸泡在处理液中，进行前处理再进行干燥得到前驱体；所述处理液为过饱和铵盐溶液中溶解20～80mmol/l钴盐的溶液；

6、s2.将步骤s1.的前驱体，在保护气体氛围下碳化反应，得到双功能催化剂；碳化温度为800～1000℃，碳化时间为2～4小时。

7、本发明中通过选用溶解有钴盐的过饱和铵盐溶液作为处理液，对生物质进行前处理，经前处理阶段，生物质的纤维素可以吸附钴离子和铵根离子，经后续热解过程中可以为生物质材料掺入钴，且铵盐在高温下分解产生的氨气不仅可以活化碳材料，同时可以作为氮源使生物质引入氮，实现实现一步法引入氮和钴，制得的催化剂同时具有较好的orr和oer功能。

8、进一步地，步骤s1.中，所述生物质为含有淀粉、纤维素、半纤维素和木质素的植物中的一种或几种。

9、更进一步地，步骤s1.中，所述生物质为丝瓜络、梧桐、香肠草、棉花、杨絮、去籽莲蓬中的一种。

10、进一步地，步骤s1.中所述前处理液为过饱和铵盐溶液中溶解30～70mmol/l钴盐的溶液。调整钴盐浓度制得的催化剂具有更优异的orr和oer功能。

11、更进一步地，步骤s1.中所述前处理液为过饱和铵盐溶液中溶解50mmol/l钴盐的溶液。

12、进一步地，步骤s1.中所述铵盐溶液为氯化铵水溶液。

13、进一步地，步骤s1.中所述钴盐为六水合硝酸钴和/或四水合醋酸钴。

14、进一步地，步骤s1.中，所述生物质在干燥之前可以先进行预处理：依次裁成小块、清洗。

15、具体地，将生物质裁切成小块，清水洗至液体澄清。

16、进一步地，步骤s1.中所述前处理为微波水热处理，所述微波水热处理的功率为500～700w。采用微波水热处理可以大幅度缩短前处理的时间，且不会影响催化剂的双功能。

17、进一步地，步骤s1.中的干燥方式为鼓风干燥或冷冻干燥。

18、更进一步地，步骤s1.中的干燥方式为冷冻干燥。

19、更进一步地，冷冻干燥的时间为24～72小时。

20、进一步地，步骤s2.中，所述保护气体为氮气、氩气中的一种。

21、进一步地，步骤s2.中，所述碳化反应的温度为900℃，所述碳化反应的时间为3h。

22、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

23、本发明提供一种双功能催化剂的制备方法，通过将生物质在过饱和铵盐溶液中溶解20～80mmol/l钴盐的溶液进行前处理，使生物质纤维素表面吸附钴离子和铵盐，经后续碳化反应处理，可以在一步过程中在生物质中同时掺杂氮和钴，制得的催化剂具有较好的orr和oer功能，δe最小为0.80v。

技术特征：

1.一种双功能催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述前处理液为过饱和铵盐溶液中溶解30～70mmol/l钴盐的溶液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述前处理液为过饱和铵盐溶液中溶解50mmol/l钴盐的溶液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述生物质为含有淀粉、纤维素、半纤维素和木质素的植物中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述铵盐溶液为氯化铵水溶液。

6.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述钴盐为六水合硝酸钴和/或四水合醋酸钴。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中所述前处理为微波水热处理，所述微波水热处理的功率为500～700w。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1.中，所述生物质在干燥之前可以先进行预处理：依次裁成小块、清洗。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2.中所述碳化反应温度为900℃，碳化反应时间为3h。

10.一种双功能催化剂，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种双功能催化剂的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：S1.将干燥的生物质浸泡在处理液中，进行前处理再进行干燥得到前驱体；所述处理液为过饱和铵盐溶液中溶解20～80mmol/L钴盐的溶液；S2.将步骤S1.的前驱体，在保护气体氛围下碳化反应，得到双功能催化剂；碳化反应的温度为800～1000℃，碳化反应的时间为2～4小时。本发明所述制备方法通过将生物质在溶解有钴盐的过饱和铵盐中进行前处理，再经碳化反应，可在一步中同时在生物质中引入钴和氮，且制得的催化剂具有较好的ORR和OER性能。

技术研发人员：余林,韩胜博,孙明,孙钺
受保护的技术使用者：广东工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15