[發明專利]一種含N碳氣凝膠電極的制備活化方法

在審

• 申請號: 201710307355.9
• 申請日: 2017-05-04
• 公開（公告）號: CN107236966A
• 公開（公告）日: 2017-10-10
• 發明（設計）人: 趙紅穎;陳英;趙國華
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C25B11/14
• 分類號: C25B11/14;C25B1/30
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司31225
• 代理人: 陳亮

技術領域

本發明屬于碳材料領域，尤其是涉及一種含N碳氣凝膠電極的制備活化方法。

背景技術

過氧化氫(H₂O₂)是一種重要的化學品，被廣泛用于漂白試劑、化學合成反應物、火箭推進劑、抗菌劑和水凈化試劑等。H₂O₂作為氧化劑使用時，由于副產物為H₂O，因此是一種綠色的氧化劑。原位電化學還原O₂產生H₂O₂，克服了H₂O₂因儲存和運輸帶來的危險，并且不受制備條件的限制，是一種非常有前景的技術。因此，如何有效地控制O₂還原使其盡可能地發生兩電子還原產生H₂O₂，就成為研究的熱點和難點問題。

陰極材料的性質和結構對于O₂還原活性有著重要的影響。陰極材料對O₂兩電子還原反應的選擇性與材料表面的催化活性位點種類有關，而反應催化活性與陰極材料的電化學活性面積、導電性以及傳質性能有關。其中，碳材料由于導電性好、析氫超電勢高、化學穩定性以及對于H₂O₂低的催化活性而被廣泛用于電催化產生 H₂O₂的研究。據文獻調研，用于電化學還原O₂產生H₂O₂的碳材料主要有石墨、活性碳纖維、網狀玻璃碳、碳氈/石墨氈、碳海綿和碳/PTFE復合電極材料等。碳材料電催化產生H₂O₂常在堿性介質中進行，尤其是氧功能化的碳材料表面(例如醌基)，能夠顯著增強其電催化還原氧氣的活性。但是，氫氧根離子會催化H₂O₂分解，并且H₂O₂在實際應用中經常需要酸性介質。在碳基電極上，ORR在酸性介質中需要高的超電勢，而醌基在酸性環境中不能催化ORR。因此，如何在酸性介質中提高碳電極的電催化性能，就成為我們關注的焦點。

中國專利CN 104446330B公開了一種超高比表面積摻氮碳氣凝膠的制備方法，以三聚氰胺、間苯二酚和甲醛為原料，三嵌段共聚物F68為模板劑，氫氧化鈉為催化劑，經溶膠-凝膠反應、溶劑交換、常壓干燥和高溫碳化得到摻氮碳氣凝膠；再在高溫下以二氧化碳作為活化劑進行活化，得到超高比表面積的摻氮碳氣凝膠，通過以三聚氰胺、間苯二酚和甲醛作為反應前驅體，保證得到的材料中摻入氮元素的穩定性和均勻性，加入三嵌段共聚物F68作為模板劑，用于在碳氣凝膠中形成微米級的孔道和極大的改善傳統氣凝膠常壓干燥制備過程中發生的嚴重的收縮塌陷現象；采用二氧化碳對摻氮碳氣凝膠進行活化處理，微米級孔道的存在有利于二氧化碳深入到材料內部進行刻蝕，從而使材料的比表面積得到極大提升。與此專利相比，本申請的摻氮碳氣凝膠制備方法更簡單，對摻氮碳氣凝膠活化溫度及方法進行優化。使摻氮碳氣凝膠更有利ORR活性的提高，對摻入氮的類型隨溫度變化，進行分析，得到石墨型的氮有利于2e^-ORR活性，改性過后的碳氣凝膠產生更多的 H₂O₂。可用于電芬頓體系的陰極材料，電動生成H₂O₂，提高芬頓活性，更快的降解污染物，擴大了摻氮碳氣凝膠應用領域。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種可以提高生 H₂O₂產量，降低成本，制備方法簡單的含N碳氣凝膠電極的制備活化方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種含N碳氣凝膠電極的制備活化方法，在碳氣凝膠骨架中原位摻入N，并對N摻雜碳氣凝膠CO₂和N₂活化，調節氣凝膠的親疏水性，制備出具有高催化活性N摻雜碳氣凝膠，采用以下步驟：