一种非金属生物质基多孔碳材料的制备及其产氢应用制造技术

本发明专利技术涉及一种非金属生物质基多孔碳材料的制备及其产氢应用，其特征在于，其包括如下步骤：(1)将生物质甲壳素球磨成甲壳素粉末，用氨基硫脲溶液浸泡，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，干燥；(2)将干燥后负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下炭化，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N‑多孔碳；(3)将S,N‑多孔碳与氢氧化钾溶液混合搅拌，干燥后在高温下活化，经酸洗，得到A‑S,N‑多孔碳。本发明专利技术所提供的非金属生物质基多孔碳材料具备明显的孔结构和团聚，存在大量的缺陷位点，有利于催化性能的提高。

【技术实现步骤摘要】
一种非金属生物质基多孔碳材料的制备及其产氢应用
本专利技术属于能源材料
，具体涉及一种非金属生物质基多孔碳材料的制备及其产氢应用。
技术介绍
随着社会的快速发展，化石能源的大量被开发，导致化石能源存储量急速下降，此外，化石能源的大量使用也带来了一系列环境问题：大量的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、一氧化二氮、氮氟碳化合物、四氯化碳等气体对大气以及生态造成了严重破坏。日益严重的环境污染和化石燃料消耗导致的全球能源危机促使人们寻找绿色和可持续的清洁能源。氢是一种清洁的可再生能源载体，因此是一种理想的化石能源替代品。水裂解持续产氢是一个理想的解决方案，但需要高效、长期稳定的电催化剂，而碳材料由于其广泛的应用和廉价易得的特点被广泛关注，但是由于其表面缺乏有效的催化活性位点，其本身的电催化产氢性能不佳，通常与其他材料复合提升电催化产氢性能。针对于如何提升碳材料的产氢性能一直是业内研究的一个热点：CN106111177A公开了一种负载过渡金属硫族化合物的氮功能化碳材料及其制备和应用，CN106955725A公开了一种N,S共掺杂石墨化碳材料的制备及作为电化学催化剂的应用，CN111434607A公开了一种金属磷化物和杂原子掺杂多孔碳复合材料及其制备与应用。目前依旧缺乏一种制备过程简单，活性高，催化性能好的碳材料催化剂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，并同时提供其产氢应用。为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案是：r>技术主题一一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其包括如下步骤：(1)将生物质甲壳素球磨成甲壳素粉末，用氨基硫脲溶液浸泡，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，干燥；(2)将干燥后负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下炭化，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N-多孔碳；(3)将S,N-多孔碳与氢氧化钾溶液混合搅拌，干燥后在高温下活化，经酸洗，得到A-S,N-多孔碳。作为本专利技术的进一步改进，步骤(1)中所述的粉末为200目，固液比为1:20，氨基硫脲溶液的浓度为8~12g/L，浸泡时间为18~30h。作为本专利技术的进一步改进，步骤(1)中所述的干燥温度为45~55℃。作为本专利技术的进一步改进，步骤(2)中所述的炭化温度为900~950℃，时间为1.5~2.5h。作为本专利技术的进一步改进，步骤(3)中所述氢氧化钾溶液的浓度为0.5~1.5mol/L，S,N-多孔碳与氢氧化钾溶液的固液比为1.8~2.2g:100mL。作为本专利技术的进一步改进，步骤(3)中活化温度为680~730℃，活化时间为1.5~2.5h。作为本专利技术的进一步改进，步骤(3)中所述搅拌时间为20~28h，干燥温度为100~110℃作为本专利技术的进一步改进，步骤(3)中所述酸洗为用8~12wt%的盐酸溶液进行洗涤。技术主题二本专利技术另一方面提供了一种上述制备方法得到的非金属生物质基多孔碳材料应用于电催化产氢。采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本专利技术所提供的非金属生物质基多孔碳材料具备明显的孔结构和团聚，存在大量的缺陷位点，有利于催化性能的提高。本专利技术提供掺加氮和硫协同催化处理使材料的催化性能得到显著提升。本专利技术以生物质甲壳素为原料，用氨基硫脲进行负载，通过简单的混合，炭化得到掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，再经过氢氧化钾活化得到，制备方法简单，原料低廉易得，适合大规模生产。附图说明为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是本专利技术实施例1制得的非金属生物质基多孔碳材料的SEM图；图2是本专利技术实施例1制得的非金属生物质基多孔碳材料的TEM图；图3是本专利技术实施例1制得的非金属生物质基多孔碳材料的拉曼图谱；图4是本专利技术实施例1制得的非金属生物质基多孔碳材料的XRD图谱；图5是本专利技术实施例1、对比例1和对比例2制得的材料的催化产氢性能对比图，其中a.对比例1；b.对比例2；c.实施例1；图6是本专利技术实施例1、对比例1和对比例2制得的材料的催化产氢催化产氢Tafel斜率对比图，其中a.对比例1；b.对比例2；c.实施例1。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合具体实施例对专利技术进行清楚、完整的描述。实施例1(1)将生物质甲壳素球磨后得到200目甲壳素粉末，该粉末浸泡在10g/L的氨基硫脲溶液中搅拌24小时，固液比为1:20，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，然后50℃进行真空干燥24h。(2)将干燥好负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下900℃炭化2h，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N-多孔碳。(3)将2gS,N-多孔碳与1mol/L的氢氧化钾溶液100mL搅拌24h后放入105℃鼓风干燥箱中进行干燥去除水分，得到氢氧化钾和S,N-多孔碳的混合物，然后在700℃，氮气氛围下进行活化2h，用10wt%的盐酸溶液进行洗涤，得到最终产物A-S,N-多孔碳。经测量，制备得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料在0.5MH2SO4溶液中，电流密度10mAcm-2下的过电位为270mV。对实施例1得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料进行SEM表征，具体见图1，从图中可以明显看到孔结构和团聚，说明该材料存在大量缺陷，利于催化性能提高。对实施例1得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料进行TEM表征，具体见图2，从图中可以明显看到孔结构。对实施例1得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料进行拉曼衍射，具体见图3，从图中可以明显看到D峰和G峰，其中D峰的强度高于G峰，说明制备的材料具有较高的缺陷。对实施例1得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料进行粉末衍射，具体见图4。实施例2(1)将生物质甲壳素球磨后得到200目甲壳素粉末，该粉末浸泡在8g/L的氨基硫脲溶液中搅拌30小时，固液比为1:20，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，然后50℃进行真空干燥24h。(2)将干燥好负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下930℃炭化1.8h，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N-多孔碳。(3)将1.8gS,N-多孔碳与1.5mol/L的氢氧化钾溶液100mL搅拌20h后放入100℃鼓风干燥箱中进行干燥去除水分，得到氢氧化钾和S,N-多孔碳的混合物，然后在680℃，氮气氛围下进行活化2.5h，用10wt%的盐酸溶液进行洗涤，得到最终产物A-S,N-多孔碳。经测量，制备得到的掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料在0.5MH2SO4溶液中，电流密度10mAcm-2下的过电位为289mV。实施例3(1)将生物质甲壳素球磨后得到200目甲壳素粉末，该粉末浸泡在12g/L本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：/n(1)将生物质甲壳素球磨成甲壳素粉末，用氨基硫脲溶液浸泡，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，干燥；/n(2)将干燥后负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下炭化，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N-多孔碳；/n(3)将S,N-多孔碳与氢氧化钾溶液混合搅拌，干燥后在高温下活化，经酸洗，得到A-S,N-多孔碳。/n

【技术特征摘要】
1.一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，其包括如下步骤：
(1)将生物质甲壳素球磨成甲壳素粉末，用氨基硫脲溶液浸泡，抽滤得到负载有氨基硫脲的甲壳素，干燥；
(2)将干燥后负载有氨基硫脲的甲壳素在氮气氛围下炭化，得到黑色掺杂有硫和氮的生物质基多孔碳材料，即S,N-多孔碳；
(3)将S,N-多孔碳与氢氧化钾溶液混合搅拌，干燥后在高温下活化，经酸洗，得到A-S,N-多孔碳。


2.根据权利要求1所述的一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的粉末为200目，固液质量比为1:20，氨基硫脲溶液的浓度为8~12g/L，浸泡时间为18~30h。


3.根据权利要求1所述的一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的干燥温度为45~55℃。


4.根据权利要求1所述的一种非金属生物质基多孔碳材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的炭...

【专利技术属性】
技术研发人员：许跃龙，王莎莎，任斌，翟作昭，刘振法，张利辉，
申请(专利权)人：河北省科学院能源研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13