[發明專利]一種用于電催化產過氧化氫的異質原子摻雜生物質碳材料的制備及應用

在審

• 申請號: 201910269720.0
• 申請日: 2019-04-04
• 公開（公告）號: CN109941995A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 胡勛;鄭妍;何飛;馬德龍;范懷林;賈鵬
• 申請（專利權）人: 濟南大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;C01B32/354;G01N27/48;H01M4/96
• 代理公司: 濟南譽豐專利代理事務所(普通合伙企業) 37240
• 代理人: 李茜

本發明屬于電催化材料領域，尤其涉及一種用于電催化還原氧氣的異質原子摻雜生物質碳材料的制備及應用。包括以下步驟：1）預處理：將芝麻葉、銀耳及馬齒莧清洗、烘干后進行粉碎。2）碳化：將上述生物質粉末進行煅燒處理后用HCl溶液清洗并過濾，干燥后即得碳化生物質粉末。3）氫氧化鉀活化：將上述碳化生物質粉末與氫氧化鉀混合干燥后進行煅燒處理，采用HCl溶液清洗并過濾，烘干后即得活化處理后的生物質碳材料。4）異質原子摻雜：將上述得到的活化后生物質碳材料分別與聚苯胺、硼酸研磨混合均勻后進行煅燒，即得氮摻雜和硼摻雜的生物質碳材料。同時，本發明還公開了該材料的應用。本發明碳材料來源豐富，成本低廉，比表面積大，導電性高且電催化活性高。

技術領域

本發明屬于電催化材料領域，尤其涉及一種用于電催化產過氧化氫的異質原子摻雜生物質碳材料的制備及應用。

背景技術

本發明背景技術中，公開的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不必然被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已經成為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

過氧化氫是一種重要的化學物質，在工業、醫藥、環保等領域有著廣泛的應用。由于其具有強氧化性能，被認為是一種很有前途的水處理劑，用過氧化氫進行水處理以改善并獲得清潔飲用水，是一種有效的解決辦法。此外，過氧化氫可以作為潛力能量載體。目前，過氧化氫的制備首先通過蒽醌與氫氣氫化，隨后在有機溶劑中被氧氣氧化間接獲得，這是一個多步驟的過程，需要大量的能量輸入以及產生大量的能量浪費。上述生產過程盡管能夠生產大量的高濃度的過氧化氫，但這個生產過程不是綠色的生產途徑，主要適用于大型工業流程。此外，過氧化氫的不穩定性給運輸帶來了安全問題。因此，發展低成本和分散的過氧化氫的生產方法引起人們越來越多的興趣。一種替代途徑是利用氫氣和氧氣反應合成過氧化氫，這種方法可以為過氧化氫提供連續生產模式并實現分散生產。然而，對過氧化氫的生成和選擇性較低，而且存在氫氣和氧氣易爆炸的安全性問題進一步阻礙了他們的實用性。因此，發展直接、高效和經濟的途徑制備過氧化氫是十分必要的。

最近，通過電化學還原氧氣制備過氧化氫吸引了越來越多的關注，因為該方法可以有效地解決上述存在的問題，而且，電化學還原氧氣可以與可再生能源相結合，可以使用在偏遠地區。在電化學還原氧氣過程中，過氧化氫可以通過燃料電池陰極側氧氣的兩電子還原或者在電解槽的陽極一側氧化水直接產生。通過電化學還原氧氣的方法制備過氧化氫，具有簡便、高效和綠色環保的優勢，有望被廣泛用于生產過氧化氫。

用于電催化還原氧氣制備過氧化氫的材料需要具有較高的導電性，高選擇性產過氧化氫性能，低的過電位和優異的穩定性。基于此，碳材料通常作為電催化還原氧氣制備過氧化氫的材料首選，例如石墨烯，碳納米管和活化碳等。石墨烯和碳納米管的制備通常采用水熱法或電化學沉積，其制備過程復雜，耗時長，所需制備儀器成本高。因此，選擇具有高效電催化還原氧氣制備過氧化氫性能、成本低的材料是十分必要的。在多種多樣的碳材料中，由生物質驅動制備的碳材料在電化學領域中受到越來越多的關注，由于其來源廣泛、成本低及可持續性發展。本發明提供可一種用于電催化還原氧氣的異質原子摻雜生物質碳材料的制備及其應用，通過將生物質碳材料碳化，活化以及分別與聚苯胺、硼酸研磨混合后高溫煅燒制備得到氮摻雜或硼摻雜的生物質碳材料，所制備得到的異質原子摻雜的生物質碳材料具有高效的產過氧化氫的性能與優異的穩定性。

發明內容

針對上述現有技術中存在的問題，本發明旨在提供一種用于電催化還原氧氣產過氧化氫的異質原子摻雜生物質碳材料的制備及其應用。異質原子摻雜碳材料能夠顯著改善材料的浸潤性及電子密度，提高電催化還原氧氣產過氧化氫的產率。

本發明第一目的，是提供一種用于電催化氧還原產過氧化氫性能高且成本低廉的異質原子摻雜生物質碳材料的制備。

本發明第二目的，是提供該異質原子摻雜生物質碳材料的應用。

為實現上述發明目的，具體的，本發明公開了下述技術方案：