[發(fā)明專利]一種硼氮共摻雜的碳氣凝膠催化劑及其合成方法和應(yīng)用

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• 申請日: 2022-05-09
• 公開（公告）號: CN114808003A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳然;王建國;鐘興;應(yīng)惠娟;孔家倫;彭小革
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學
• 主分類號: C25B11/065
• 分類號: C25B11/065;C25B11/091;C25B1/30
• 代理公司: 杭州浙科專利事務(wù)所(普通合伙) 33213
• 代理人: 龔如朝

本發(fā)明公開了一種硼氮共摻雜的碳氣凝膠催化劑及其合成方法和應(yīng)用，所述催化劑的制備方法是：以間苯二酚和甲醛為反應(yīng)原料，以水為溶劑、離子液體為硼氮原子的來源，將間苯二酚和甲醛加入水中溶解后置于微波輻射環(huán)境下反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后烘干，于氮氣氣氛下焙燒制得碳氣凝膠，隨后加入離子液體，超聲浸漬后離心，最后在真空環(huán)境煅燒，即制得硼氮共摻雜碳氣凝膠BN?CXGs。本發(fā)明通過引入不同雜原子來改性碳氣凝膠的電子結(jié)構(gòu)和孔隙率，通過控制碳氣凝膠摻雜不同類型的離子液體前驅(qū)體，BN?CXGs催化劑用于電催化合成雙氧水具有很好的催化選擇性和活性，本發(fā)明制備的催化劑呈現(xiàn)納米球狀，具有較高的孔隙率和電催化性能，在催化制備雙氧水的反應(yīng)中具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種硼氮共摻雜的碳氣凝膠催化劑及其合成方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)

雙氧水(過氧化氫)是一種重要的化學物質(zhì)，在工業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保、軍工、食品和環(huán)境等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。他既有氧化性又有還原性并且使用后無二次污染，被定義為綠色化工產(chǎn)品。目前工業(yè)上大規(guī)模生產(chǎn)雙氧水的最成熟的方法是蒽醌法，但蒽醌法不僅步驟繁瑣，還會用到一些有機溶劑，對環(huán)境造成二次污染，因此尋找一種綠色高效的方法生產(chǎn)雙氧水迫在眉睫。

在電化學氧還原的反應(yīng)(ORR)中，有兩種反應(yīng)途徑：

O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂ (1)

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O (2)

即反應(yīng)轉(zhuǎn)移4e^-途徑產(chǎn)生H₂O(式1)和反應(yīng)轉(zhuǎn)移2e^-途徑產(chǎn)生H₂O₂(式2)，而催化劑的選擇性是決定反應(yīng)途徑的關(guān)鍵因素之一。因此，選用一種合適的催化劑可以促進氧氣還原反應(yīng)的2e^-途徑，產(chǎn)生并積累大量H₂O₂，達到小規(guī)模高效綠色生產(chǎn)雙氧水的目的。

目前電催化氧化還原反應(yīng)的高效催化劑，大部分都是選擇4e^-途徑；只有貴金屬及其合金、單原子催化劑、碳基材料、金屬配合物等可以催化選擇2e^-途徑，卻價格昂貴，并且要精確控制催化劑的結(jié)構(gòu)等，制備條件苛刻。

碳氣凝膠作為一種新型的碳材料，具有低密度，質(zhì)量輕、比表面積大、孔隙率大、表面疏水、導電性較好等性質(zhì)，在吸附、能量的轉(zhuǎn)化與儲存、電容器和催化劑等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

目前制備碳氣凝膠常用方法是常溫常壓干燥法，超臨界干燥法等，超臨界干燥法在理論上能夠消除干燥過程中的表面張力，但其在高溫高壓環(huán)境下操作具有一定的危險性，且溶劑置換過程的周期長，需要將濕凝膠中的水替換為超臨界干燥的介質(zhì)(如二氧化碳、石油醚或乙醇等)，再將干燥介質(zhì)排出，這一過程需要極其緩慢以避免破環(huán)介質(zhì)的超臨界狀態(tài)。然而單純的碳氣凝膠用作氧還原反應(yīng)的電催化劑而言，其活性和選擇性效果差強人意，所以對其改性使非常有必要，其中雜原子摻雜是提高電催化劑活性的重要策略之一，但是大多數(shù)硼氮共摻雜碳氣凝膠的催化劑都是選用兩種或兩種以上雜原子原料，這個過程不僅會對原料造成損失，同時對于控制摻雜量沒有那么精準。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明的目的在于一種硼氮共摻雜碳氣凝膠催化劑及其合成方法和應(yīng)用，本發(fā)明利用微波合成法代替常溫攪拌法，優(yōu)點在于操作簡單、合成高效，同時采用具有雙雜原子的離子液體作為摻雜前驅(qū)體避免了引入不同雜原子的前驅(qū)體，導致材料浪費、雜原子的摻入量不確定、引入雜質(zhì)降低催化性能等問題。所制備的硼氮共摻雜碳氣凝膠具有較好穩(wěn)定性和電催化性能，在制備雙氧水中具有良好的應(yīng)用前景。