一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法及应用技术

本发明专利技术属于电催化材料技术领域，具体公开一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法及应用，包括将生物质材料净化后粉碎，并与活化剂和模板剂混合后，在氮气氛围下煅烧活化，冷却至室温后洗涤、过滤、烘干得到氮/氧自掺杂多孔生物炭。本发明专利技术以富含氮、氧原子的苜蓿属植物替代化石燃料为原料，在无需外加氮源、浓酸或强氧化剂氧化条件下，经煅烧成功制备氮/氧自掺杂多孔生物炭，降低了材料制备成本，避免了高浓度过氧化氢在储存及运输过程中面临的安全风险，具有良好的经济效益和环保意义，并将其应用于电化学氧还原产过氧化氢具有较高的过氧化氢选择性，在煅烧温度为500℃下制备的催化剂具有最高的过氧化氢选择性，达到85％以上。上。上。

【技术实现步骤摘要】
一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法及应用


[0001]本专利技术属于电催化材料
，具体地说涉及一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法及应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢是一种绿色清洁的环境友好型化工产品，常作为漂白剂、氧化剂、消毒剂、脱氧剂和交联剂，广泛应用于医疗杀菌、化工合成、造纸纺织和废水处理等领域。过氧化氢的工业生产主要依赖以氢气和氧气为原料的“蒽醌法”，但该技术工艺复杂、产物杂质多，需要大量的能量输入和有机溶剂，易产生二次污染。此外，高浓度过氧化氢在购买、储存和运输过程中，成本高、管理难度大且存在安全隐患。一种替代途径是在钯基催化剂作用下，通过氢气和氧气直接合成过氧化氢，无需有机介质、工艺简单、能耗低，可实现过氧化氢的分散生产，然而氢气和氧气的气态混合物存在爆炸的风险限制了其实用性。电化学阴极还原氧气制备过氧化氢的方法能有效解决上述问题，而且可以灵活、方便的与其他技术结合并应用于环境修复及其他领域，避免了过氧化氢的储存及运输，具有更强的经济适用性。
[0003]目前电化学氧还原产过氧化氢技术常用的催化剂主要有贵金属及其合金、过渡金属复合物和碳基材料。金属基催化剂因其高成本、稀缺性和高毒性，难以满足现代化工对绿色、环保和可持续发展的需求。而非金属碳基材料尤其是杂原子掺杂碳材料有望替代金属基催化剂应用于电化学氧还原反应中。氮掺杂的碳材料由于引入富电子的氮，使其在电化学氧还原产过氧化氢应用中得到广泛关注。例如，Sμ等人将三聚氰胺与石墨烯混合在950℃条件下，经锻烧成功制备了氮掺杂石墨烯。旋转环盘电极结果表明，当三聚氰胺与石墨烯比例为1：3时制备的氮掺杂石墨烯具有最佳的电催化性能，过氧化氢选择性达到75.79％(Appl.Catal.B
‑
Environ,2019,245,583
‑
595)。Zhang等以2,6
‑
二氨基蒽醌为氮源，还原氧化石墨烯水凝胶为碳基材料制备的氮掺杂碳材料具有75％的过氧化氢选择性(Carbon,2020,163,154
‑
161)。一些研究表明碳材料中的含氧官能团对促进电化学氧还原产过氧化氢同样具有至关重要的作用(Nat.Catal.2018,1,156
‑
162,Adv.Mater.2019,31,1904044)。常用于电化学氧还原制备过氧化氢的碳基材料，例如炭黑，乙炔黑，石墨烯和碳纳米管等，通常是以不可再生的化石燃料为前驱体经高温裂解而成，其制备工艺复杂，能耗高。此外，氮掺杂碳材料和氧掺杂碳材料制备过程需外加有机氮源，浓酸或强氧化剂氧化，增加了制备成本。因此，研发一种原料来源广泛、可循环再生且制备成本低的杂原子掺杂碳材料用于电化学氧还原产过氧化氢具有重要的意义。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法及应用。本专利技术提供如下技术方案：
[0005]一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法，包括：将生物质材料净化后粉碎，并与活化剂和模板剂混合后，在氮气氛围下400～750℃煅烧活化0.5～3.5h，冷却至室温后洗
涤、过滤、烘干，得到氮/氧自掺杂多孔生物炭。
[0006]进一步的，生物质材料净化后粉碎的方法包括：将生物质材料用去离子水清洗表面杂质后，置于烘箱中，60～90℃烘干8～12小时，将烘干后的生物质材料在粉碎机内粉碎，并过15目筛收集筛后粉碎物。
[0007]进一步的，生物质与活化剂和模板剂混合的方法包括：将筛后粉碎物与活化剂和模板剂按一定质量比混合，置于玛瑙研钵中充分研磨得到混合物，其中，粉碎物与活化剂、粉碎物与模板剂、活性剂与模板剂的质量比为1：0.5～1：2。
[0008]进一步的，所述生物质为富含氮氧原子的苜蓿属植物，包括但不限于紫花苜蓿草。
[0009]进一步的，所述活化剂为草酸钾、草酸铵、草酸氢钾、四草酸钾、草酸钠、草酸氢钠、四草酸钠中的至少一种，所述模板剂为碳酸钙、硫酸钙、氧化硅中的至少一种。
[0010]进一步的，混合物在氮气氛围下450～700℃煅烧活化1～3h。
[0011]进一步的，混合物在氮气氛围下500℃煅烧活化2h。
[0012]进一步的，煅烧活化的升温速率为5～15℃min
‑1。
[0013]进一步的，冷却至室温后洗涤、过滤、烘干的方法包括：收集煅烧冷却后的粉末，经酸洗、水洗至中性除杂后，烘箱60～90℃烘干8～12h。
[0014]一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的应用，采用上述方法制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭用于电化学氧还原产过氧化氢。
[0015]其中，采用电化学工作站及旋转环盘电极对其电催化性能进行评价，称取5mg氮/氧自掺杂多孔生物炭，加入1mL乙醇，50μL nafion溶液超声10min使其分散均匀。量取5μL分散均匀的样品滴加到干净的玻碳电极上，重复两次，样品自然干燥并作为工作电极，石墨棒为对电极，Ag/AgCl电极为参比电极，以氧气饱和的0.1mol L
‑1KOH溶液为电解液，以5mV s
‑1的扫描速度在
‑
1.0～0.2V vs.Ag/AgCl范围内进行LSV测试，并通过公式1和公式2计算电子转移数(n)和过氧化氢选择性(H2O2(％))。测试过程中电极转速为1600rpm，环电压为0.3V vs.Ag/AgCl。
[0016][0017][0018]其中，I
D
和I
R
分别为盘电流和环电流，N为收集效率(0.37)。
[0019]有益效果：
[0020]1、本专利技术选用可替代化石燃料的生物质作为原材料，其分布广泛、价格低廉，降低原材料的投入成本；
[0021]2、制备过程无需外加氮源、浓酸或强氧化剂氧化，降低了材料制备成本，且环境友好；
[0022]3、制备过程简单，生产条件易获取，具备批量化生产的可行性；
[0023]4、本专利技术制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭呈现三维多孔结构，含有较高的比表面积和丰富的氮氧元素；
[0024]5、本专利技术制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭具有较高的过氧化氢选择性，可用于电化学氧还原产过氧化氢，在单独或与其他技术结合应用于环境修复及其他领域时，避免了高浓度过氧化氢在储存及运输过程中面临的安全风险，提高了过氧化氢使用过程中的经济效益和环保意义。
附图说明
[0025]图1为本专利技术具体实施例中不同煅烧温度下制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭的SEM图；
[0026]图2为本专利技术具体实施例中不同煅烧温度下制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭的XPS谱图；
[0027]图3为本专利技术具体实施例中不同煅烧温度下制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭的氮气吸脱附曲线；
[0028]图4为本专利技术具体实施例中不同煅烧温度下制备的氮/氧自掺杂多孔生物炭的LSV曲线；
[0029]图5为本专利技术具体实施例中不同煅烧温度下制备的氮/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，包括：将生物质材料净化后粉碎，并与活化剂和模板剂混合后，在氮气氛围下400～750℃煅烧活化0.5～3.5h，冷却至室温后洗涤、过滤、烘干，得到氮/氧自掺杂多孔生物炭。2.根据权利要求1所述的一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，生物质材料净化后粉碎的方法包括：将生物质材料用去离子水清洗表面杂质后，置于烘箱中，60～90℃烘干8～12小时，将烘干后的生物质材料在粉碎机内粉碎，并过15目筛收集筛后粉碎物。3.根据权利要求1所述的一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，生物质与活化剂和模板剂混合的方法包括：将筛后粉碎物与活化剂和模板剂按一定质量比混合，置于玛瑙研钵中充分研磨得到混合物，其中，粉碎物与活化剂、粉碎物与模板剂、活性剂与模板剂的质量比为1：0.5～1：2。4.根据权利要求1所述的一种氮/氧自掺杂多孔生物炭的制备方法，其特征在于，所述生物质为富含氮氧原子的苜蓿属植物，包括但不限于紫花苜蓿草。5.根据权利要求1所述的一种氮/氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：高孟春，信帅帅，张春蕾，马晓明，刘文婕，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：