[發明專利]基于生物質衍生的碳復合材料氧還原催化劑及其制備方法

在審

• 申請號: 201910160128.7
• 申請日: 2019-03-04
• 公開（公告）號: CN109888311A
• 公開（公告）日: 2019-06-14
• 發明（設計）人: 付超鵬;蔣敏;張佼;孫寶德
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M12/06;H01M12/08
• 代理公司: 上海交達專利事務所 31201
• 代理人: 王毓理;王錫麟

一種基于生物質的碳復合氧還原催化劑及其制備方法，以生物質為碳源、氮源，與造孔劑/催化劑充分混合制成混合分體進一步加入含氮前驅物研磨并加熱處理得到。本發明采用“一步法”同步完成生物質碳的多孔化、石墨化處理以及負載金屬碳化物，實現多孔生物碳與過渡金屬碳化物材料的快速、綠色、高效制備，得到的催化劑用于制備成鋁空氣電池用空氣電極。該方法具有耗時少、步驟簡單、綠色環保等特點。

技術領域

本發明涉及的是一種氧氣還原催化劑，具體是一種生物質基過渡金屬碳化物/多孔氮摻雜碳催化劑及其制備方法。

背景技術

對于非貴金屬催化劑研究起步于上世紀60年代，到目前為此，已經研究制備了多種可行的非貴金屬催化劑。作為一種可以替代貴金屬催化劑的材料，過渡金屬碳化物(包括單金屬碳化物和多金屬碳化物)具備如下優點，儲量豐富、價格低廉、易于制備、環境友好等，但作為氧催化劑使用時在導電性及分散性等方面仍有很大的提高空間。近些年來開展的非貴金屬催化劑研究中，大量不同結構的碳材料，如石墨烯、多孔碳、碳納米管雖然在一定程度大大降低了燃料電池或金屬空氣電池的成本，但其性價比很低。生物炭孔隙結構發達、環境穩定性高，導電性良好，碳材料本身對氧還原反應沒有活性，但通過摻雜修飾等方法，改進碳材料結構、組成以及表面官能團以及負載過渡金屬碳化物提高材料催化活性。

為了制備多孔碳材料和金屬碳化物復合均勻、且比表面積大的電催化劑，通過先將生物質進行預氧化，通過添加金屬離子，經高溫煅燒后得到生物質碳/金屬碳化物催化劑。該制備方法不僅提高了催化劑的導電性和比表面積，而且所得氧催化劑有效降低了ORR的過電位，該方法所得電催化劑充分發揮了過渡金屬碳化物和碳材料在電催化方面的協同作用，對開發新型電化學催化劑及能源轉換和儲存器件具有重要的理論和實際意義。

發明內容

本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種基于生物質的碳復合氧還原催化劑及其制備方法，以生物質為主要原料，添加一定量的造孔劑/催化劑，采用“一步法”同步完成生物質碳的多孔化、石墨化處理以及負載金屬碳化物，實現多孔生物碳與過渡金屬碳化物材料的快速、綠色、高效制備，得到的催化劑用于制備成鋁空氣電池用空氣電極。該方法具有耗時少、步驟簡單、綠色環保等特點。

本發明是通過以下技術方案實現的：。

本發明涉及一種生物質基過渡金屬碳化物/多孔氮摻雜碳氧還原催化劑的制備方法，以生物質為碳源、氮源，與造孔劑/催化劑充分混合制成混合分體進一步加入含氮前驅物研磨并加熱處理得到。

所述的生物質為稻草、玉米秸稈、玉米芯、麥稈、椰殼、谷殼、稻殼、甘蔗渣、木材、木屑、竹材、雜草或其組合。

所述的生物質，優選經粉碎過篩并清洗除掉雜質，并干燥得到粉末，其粒徑為50nm～10μm。

所述的清洗，優選采用濃度為1～5M的酸溶液以去除雜質，提高生物質品位。

所述的酸溶液為硝酸、硫酸、鹽酸、高氯酸或其組合。

所述的造孔劑/催化劑為高錳酸鉀、高鐵酸鉀、重鉻酸鉀溶液或其組合，其溶度優選為0.2～5M。

所述的充分混合是指：將粉末狀的生物質與造孔劑攪拌均勻得到混合液，然后對混合液進行過濾洗滌，并經真空干燥得到混合粉體。

所述的攪拌，其時間優選為1～48h。

所述的攪拌，進一步優選在加熱環境中進行。

所述的充分混合，優選為生物質粉末與造孔劑的質量之比為10:1～1000:1。

所述的含氮前驅物為三聚氰胺、甘氨酸、三乙醇胺、丙嗪或其組合。

所述的加熱處理是指：在700～1000℃保護氣氛下熱處理3～5h。

所述的保護氣氛為氮氣、氬氣或氖氣。