[發明專利]一步合成自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑的方法

在審

• 申請號: 202110690331.2
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113526503A
• 公開（公告）日: 2021-10-22
• 發明（設計）人: 王公軻;王萬里;李佳雨;趙亞嶺;陳野
• 申請（專利權）人: 河南師范大學
• 主分類號: C01B32/318
• 分類號: C01B32/318;C01B32/348;H01M4/90
• 代理公司: 新鄉市平原智匯知識產權代理事務所(普通合伙) 41139
• 代理人: 路寬

本發明公開了一步合成自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑的方法，具體過程為：將粉碎后的菊花葉前驅體和模板劑ZnCl₂/Zn(OH)₂混合攪拌得到物料A；將物料A轉移至剛玉舟并置于管式爐中燒結得到物料B；將物料B轉移至酸性溶液浸泡，再洗滌至濾液呈中性，然后干燥得到菊花葉衍生的分層多孔碳材料氧還原催化劑。本發明通過加入雙模板的ZnCl₂/Zn(OH)₂調控材料的比表面積，豐富孔結構，有利于增加氧還原催化劑的活性位點，從而提高氧還原催化活性。本發明制得的自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑具有優異的氧還原催化性能。

技術領域

本發明屬于氧還原催化劑的制備技術領域，具體涉及一種一步合成自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑的方法。

背景技術

能源需求的增長和化石能源的過度使用污染以及破壞環境是當前社會發展面臨的重要矛盾。為了緩解這一狀況，燃料電池和金屬-空氣電池作為新一代環保型儲能轉換裝置得到了迅速發展。由于燃料電池陰極氧還原反應的ORR反應動力學遲緩，嚴重制約了燃料電池的發展。鉑基材料雖然可以作為陰極材料解決這一技術問題，但由于其資源短缺、價格較高、耐久性差、耐甲醇性差等原因不能長期使用。因此，尋找合適的陰極材料來替代鉑基材料顯得尤為重要。近年來，生物質衍生的無金屬摻雜多孔碳材料作為催化劑得到了廣泛的研究。由于具有高比表面積、多級多孔結構、優良的導電性和優異的化學熱穩定性，生物質衍生的多孔碳材料已被證明是一種有效的氧還原催化劑。

發明內容

本發明解決的技術問題是提供了一種簡單、低成本、對環境友好且可大規模制備的一步合成自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑的方法，該方法通過一步熱解菊花葉前驅體、氫氧化鋅和氯化鋅混合物得到一系列自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑。本發明解決的技術問題有：一、原料來源非常廣泛，前驅體來源于菊花的葉子，符合對環境友好的要求，而且菊花在全世界各地都有廣泛的種植，因此原料來源非常廣泛。二、該前驅體中含有豐富的C、N、O、P、S、F等元素，多種雜元素的摻雜可以調節碳原子電荷的再分布，從而提高電子傳遞能力，并引入邊緣缺陷來提高電化學活性，所以合成過程中不需要引入外加的雜原子源，因此大大減少了制備過程中所需要的人力、物力、財力，而且實驗過程一步完成，十分簡潔高效。三、本發明提供了一種新型的活化劑及模板劑組合形式，即采用質量比為1:1的ZnCl₂與Zn(OH)₂的組合形式，在熱解過程中產生了微孔、中孔和大孔，微孔可以擴大相應碳材料的比表面積，介孔可以為離子傳遞提供一個低阻力的通道，而大孔可以減小離子擴散距離。因此，多級多孔碳結構可以顯著提高其電化學催化性能。

本發明為解決上述技術問題采用如下技術方案，一步合成自摻雜菊花葉衍生碳基材料氧還原催化劑的方法，其特征在于具體過程為：

步驟S1：將菊花葉清洗干凈后進行干燥、粉碎，將粉碎后的菊花葉前驅體與模板劑ZnCl₂和Zn(OH)₂進行混合攪拌后得到物料A；

步驟S2：將步驟S1得到的物料A轉移至剛玉舟并置于管式爐中，在惰性氣氛保護下，以5℃/min的升溫速率升溫至300℃并保溫60min，再以10℃/min的升溫速率升溫至900℃并保溫120min，然后自然降溫至室溫得到物料B；

步驟S3：將步驟S2得到的物料B轉移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高純水洗滌至濾液呈中性，然后置于60℃鼓風干燥箱中干燥12h得到菊花葉衍生的分層多孔碳材料氧還原催化劑。

進一步優選，步驟S1中所述菊花葉前驅體與模板劑ZnCl₂和Zn(OH)₂的質量比為2:1:1。

進一步優選，步驟S2中所述惰性氣體為氮氣。

進一步優選，步驟S3中所述酸性溶液為濃度2M的鹽酸溶液。