[發(fā)明專利]一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳、其制備方法和在電催化中的應(yīng)用

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110401806.1
• 申請日: 2021-04-14
• 公開（公告）號: CN113104833B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 俞漢青;季翔宇;劉武軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號: C25B11/054
• 分類號: C25B11/054;C01B32/05;C25B11/065;C25B11/075;C25B3/05;C25B3/07;C25B3/23;C25B11/031;B01J23/70
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 劉穎

本發(fā)明提供了一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳、其制備方法和在電催化中的應(yīng)用，該泡沫碳的制備方法包括：S1、提供殼聚糖氣凝膠；S2、將所述殼聚糖氣凝膠與酚醛類樹脂復(fù)合，之后在惰性氣體氛圍中進(jìn)行熱解，得到含玻璃碳的生物炭基硬質(zhì)泡沫碳。本發(fā)明制備的硬質(zhì)泡沫碳具有大比表面積和較高的機(jī)械強(qiáng)度，合成成本低，利于作為電極材料實現(xiàn)對5?羥甲基糠醛的高效率的選擇性催化氧化。所優(yōu)選的層狀雙金屬氫氧化物催化劑表現(xiàn)出對5?羥甲基糠醛的優(yōu)異電催化氧化性能，能夠快速、高選擇性地完成目標(biāo)產(chǎn)物的氧化。本發(fā)明實施例合成的催化劑電催化氧化5?羥甲基糠醛的反應(yīng)條件溫和，在常溫常壓的溫和條件下，短時間內(nèi)即可完成對5?羥甲基糠醛的選擇性氧化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于化工材料技術(shù)領(lǐng)域和能源環(huán)保技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳、其制備方法和在電催化中的應(yīng)用，例如負(fù)載形成層狀雙金屬氫氧化物催化劑，并電催化氧化5-羥基糠醛制備2,5-呋喃二甲酸的方法。

背景技術(shù)

隨著傳統(tǒng)化石能源的過度開采，化石能源的儲量不斷緊縮，能源危機(jī)和環(huán)境問題在當(dāng)今世界愈發(fā)嚴(yán)峻。因此，研究可持續(xù)、可再生的新型能源以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的非可再生能源的策略對人類來說迫在眉睫。作為一種可再生的非化石燃料碳源，生物質(zhì)是一種非常有開發(fā)價值的化石能源替代品，其在生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)化方面也逐漸受到重視。

5-羥甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural)是一種重要的平臺化合物，可作為生物質(zhì)類碳水化合物代替石油工業(yè)有機(jī)化合物的中間單體之一；將其加氫或氧化后可以生成生物燃油和一系列衍生化學(xué)產(chǎn)品，這些衍生化學(xué)產(chǎn)品能作為目前大量消耗的石油化工產(chǎn)品的部分替代品。比如，5-羥甲基糠醛的氧化產(chǎn)物2,5-呋喃二甲酸(2,5-Furandicarboxylicacid)是美國能源部列為十二種重要生物質(zhì)平臺化合物之一，可作為單體制備多種生物質(zhì)基聚合物，在有機(jī)合成和生物制藥方面有應(yīng)用前景。

目前，傳統(tǒng)催化氧化5-羥甲基糠醛制備2,5-呋喃二甲酸的方法中，主要使用的催化劑為鉑(Pt)、鈀(Pd)和金(Au)等貴金屬催化劑；也有通過碳電極材料催化制備2,5-呋喃二甲酸。以上現(xiàn)有方法存在一定的局限性，主要表現(xiàn)在貴金屬催化劑成本高或者反應(yīng)需要高溫高壓的條件；以及傳統(tǒng)的碳紙?zhí)細(xì)值榷嗫滋茧姌O材料機(jī)械強(qiáng)度低，循環(huán)使用壽命低，而傳統(tǒng)的石墨、玻碳電極材料比表面積小，制造成本高。因此，需要研發(fā)出新的催化氧化技術(shù)，以克服5-羥甲基糠醛催化氧化中催化成本高昂等問題。

發(fā)明內(nèi)容

有鑒于此，本發(fā)明提供一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳、其制備方法和在電催化中的應(yīng)用，本發(fā)明制備的硬質(zhì)泡沫碳具有大比表面積和較高的機(jī)械強(qiáng)度，合成成本低，利于作為電極材料實現(xiàn)對5-羥甲基糠醛的高效率的選擇性催化氧化，降低催化成本。

本發(fā)明提供一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳的制備方法，包括以下步驟：

S1、提供殼聚糖氣凝膠；

S2、將所述殼聚糖氣凝膠與酚醛類樹脂復(fù)合，之后在惰性氣體氛圍中進(jìn)行熱解，得到含玻璃碳的生物炭基硬質(zhì)泡沫碳。

在本發(fā)明的實施例中，所述殼聚糖氣凝膠由殼聚糖經(jīng)過溶膠-凝膠、冷凍干燥制得；

所述殼聚糖氣凝膠與酚醛類樹脂復(fù)合具體包括：取酚類、甲醛和堿性催化劑溶解于水中，得到含酚醛類樹脂的溶液，并使其浸透所述殼聚糖氣凝膠；將浸透的殼聚糖氣凝膠于100℃以下進(jìn)行加熱。

優(yōu)選地，所述加熱完成后，將復(fù)合的前驅(qū)體物質(zhì)在惰性氣體氛圍中于900～1000℃加熱進(jìn)行熱解，得到含玻璃碳的生物炭基硬質(zhì)泡沫碳。

本發(fā)明提供一種生物炭基硬質(zhì)泡沫碳，由前文所述的制備方法制備得到，其表面碳材料包含玻璃碳形式。