[發明專利]金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料及其制備方法和應用

在審

• 申請號: 202211633811.6
• 申請日: 2022-12-19
• 公開（公告）號: CN115786962A
• 公開（公告）日: 2023-03-14
• 發明（設計）人: 梁驥;賈晶晶;劉曉慶
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: C25B11/075
• 分類號: C25B11/075;C25B1/30;C01B32/05
• 代理公司: 天津創智睿誠知識產權代理有限公司 12251
• 代理人: 李薇

本發明公開了一種金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料及其制備方法和應用，金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料包括無定形碳基底和以單原子形式均勻分散并負載在無定形碳基底上的Mo原子和F原子。金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料通過以下步驟制備：步驟1，將預定比例的金屬Mo鹽、分散劑與碳源混合，連續攪拌，即得到中間產物；步驟2，將中間產物和同時作為軟模板的氟源攪拌混合均勻后，超聲處理，混合物自然晾干，再固化，即得到混合物；步驟3，將混合物在充有惰性氣氛的管式爐中碳化，將得到的粉末進行研磨得到固體粉末；步驟4，將固體粉末洗滌，然后干燥，即得到金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料。可用于經濟、高效、小規模制備過氧化氫。

技術領域

本發明涉及材料化學技術領域，特別是涉及一種金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料及其制備方法和應用。

背景技術

過氧化氫作為一種必需的化學和環保氧化劑，已廣泛應用于消毒、污水處理和漂白等領域。目前過氧化氫的制備主要基于蒽醌法，該方法采用貴金屬催化，存在著成本高，風險大以及工藝繁瑣等問題。此外，通過這種方法產生的高濃度過氧化氫具有一定的不穩定性，使其在儲存和運輸過程中存在一定的安全隱患。與此同時，對于這些高濃度雙氧水的使用往往需要稀釋處理，因為低濃度的過氧化氫就已經基本可以滿足國內外人們大部分工業和生活需求，從而使其使用成本增加。因此，發展一種綠色、經濟、分布式的過氧化氫生產技術非常具有吸引力。其中，電化學氧還原反應和H₂/O₂直接結合都是在較溫和的條件下發生的，被認為是蒽醌過程的有前途的替代方法。電催化兩電子氧還原反應(2e^--ORR)制備H₂O₂與H₂/O₂直接結合合成H₂O₂相比，具有成本低，可持續性強以及安全性高等優點，因此近年來備受關注。

2e^--ORR是一種很有前途的、環保的過氧化氫生產途徑。其中，單原子催化劑(SACs)由于其獨特的電子結構和幾何構型，通常對2e^--ORR表現出良好的選擇性。然而，由于單原子形式的金屬的自由能明顯高于塊體形式的金屬，隨著金屬單原子在基底上負載量增高，金屬原子容易團聚而形成大團簇或納米顆粒，這大大降低了其催化能力。因此，SACs通常具有非常低的金屬負載量，這使得催化劑中的表面活性位點數量非常有限。因此，發展一種兼具高活性、高選擇性以及多活性位點的兩電子氧還原電催化劑刻不容緩。目前，人們發現在碳框架上摻雜多個非金屬雜元素，能夠使其產生遠程協調效應，從而有效地調節碳原子的電荷/自旋密度，使他們具有良好的催化性能。然而，由于非金屬雜原子和金屬雜原子在典型的碳框架中往往會直接配位，而不是形成預期的遠程配位結構，限制了此類催化劑的發展。

發明內容

本發明的目的是針對現有技術中存在的催化劑活性位點少等問題，而提供一種金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料。

本發明的另一目的，提供所述無定形碳材料的制備方法。

本發明的另一目的，提供所述無定形碳材料在電催化氧還原制備過氧化氫中的應用。

為實現本發明的目的所采用的技術方案是：

一種金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料，包括無定形碳基底和以單原子形式均勻分散并負載在所述無定形碳基底上的金屬原子以及非金屬原子，所述金屬原子為Mo原子，所述非金屬原子為F原子。

在上述技術方案中，所述金屬及非金屬雙摻雜的無定形碳材料通過以下步驟制備：

步驟1，將預定比例的金屬Mo鹽、分散劑與碳源混合，連續攪拌，即得到中間產物；

步驟2，將步驟1制備得到的中間產物和同時作為軟模板的氟源攪拌混合均勻后，超聲處理，混合物自然晾干，再固化，即得到混合物；

步驟3，將步驟2制備得到的混合物在充有惰性氣氛的管式爐中碳化，將得到的粉末進行研磨得到固體粉末；