一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂及其制备方法和应用。属于催化技术领域。具体制备方法如下：将水杨酸，乙酸钴，乙酸锌，KIT

【技术实现步骤摘要】
一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂及其制备方法和在电催化制备H2O2中的应用，主要针对于工业上大规模生产H2O2，属于高附加值化学品、催化剂生产


技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)作为一种仅以水和氧气为副产物的清洁化学氧化剂，是世界上最重要的100种化学物质之一，是生态友好的能量载体、氧化剂和环境修复剂。目前H2O2的工业合成方法主要有电解法、蒽醌法、异丙醇法、氢气氧气直接合成法等。但传统的方法由于工艺复杂、成本高且产生大量的废弃有毒副产物等限制了这几种方法的实际应用。近年来，电催化生产H2O2受到了人们越来越多的关注，直接利用电能输入、空气(O2的来源)和水在室温下高效高选择性的合成H2O2，操作简单，环境友好，而其实际应用仅需要高效的催化剂。因此，开发经济、高效、高选择性、高稳定性的电催化材料，是实现电催化制H2O2的技术关键。
[0003]迄今为止对电催化制备过氧化氢具有突出的电催化活性的催化剂是贵金属材料，但是其具有稀有、价格昂贵、对H2O2自分解有很强的催化作用等特点限制了它们在实际大规模应用中的发展。因此，开发低成本、高效的非贵金属基催化剂势在必行。
[0004]碳基材料因廉价、地球丰富、高比表面积、可调的孔隙率和电子结构易于调节的特点，是公认的有望替代贵金属基催化剂以制备H2O2的电催化材料。然而，纯碳材料通常是无活性的。因此，活化碳材料并使其成为高效的电催化剂来生成H2O2是必不可少的。碳基体中的杂原子掺杂，如N、O等的掺杂，已被证明是提高催化合成H2O2选择性的有效手段。当金属引入碳材料后，材料的电荷密度会受到金属原子和相邻碳原子之间的相互作用影响，进而提高电催化活性。因此，可以通过引入不同金属原子和不同电负性杂原子实现纳米材料电子结构的调控，进而获得更高的电催化活性和H2O2选择性。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂的制备方法。
[0006]本专利技术的目的之二是提供一种利用Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂电催化制备过氧化氢的方法。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，制备方法包括如下步骤：将水杨酸，乙酸钴，乙酸锌，KIT
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6和PVP分散于乙二醇水溶液中，用氨水调整混合溶液pH为7并搅拌后进行恒温反应，所得产物真空干燥后煅烧，冷却至室温，用氢氟酸除去磨板KIT
‑
6后再次加热进行回流反应，所得产物用去离子水和乙醇洗涤，干燥后得到目标产物Co,Zn
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N
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C。
[0008]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，按质量比，水杨酸：乙酸钴：乙酸锌：KIT
‑
6：PVP＝4835:622:548:1800:3000。
[0009]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述恒温反应是，水浴80℃
保持2h。
[0010]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述煅烧是，在N2氛围下，以5℃min
‑1速率升温至700℃，保温1h。
[0011]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述回流反应是，于煅烧后所得产物中，加入6M硝酸溶液，在90℃下回流反应10h。
[0012]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述KIT
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6的制备方法，包括如下步骤：将P123溶解在盐酸水溶液中，搅拌；再加入正丁醇继续搅拌；最后加入正硅酸四乙酯搅拌，转移到高压釜中在100℃下反应24h，自然冷却至室温收集样品，用去离子水洗涤数次，80℃干燥后煅烧，得到KIT
‑
6。
[0013]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，按质量比，P123：2M盐酸：水：正丁醇：正硅酸四乙酯＝50:475:1625:63:160。
[0014]优选地，上述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，所述煅烧是，在空气氛围下，以2℃min
‑1速率升温至550℃，保温6h。
[0015]上述的任一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂在电催化制备过氧化氢中的应用。
[0016]优选地，上述的应用，方法如下：将Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂在Nafion和去离子水中超声分散形成分散液，将分散液涂覆于碳纸上作为工作电极，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，置于石英反应容器中构成三电极体系；在KOH溶液中，通入O2直至饱和，在给定偏压驱动下进行反应。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]1、本专利技术通过调整多元素共掺杂的方式构建Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，进一步提高导电性，暴露更多活性位点，促进质量/电荷传输，优化电子结构，提高电催化活性和稳定性。采用本专利技术的方法，在特定附加偏压作用下，该催化剂在0.1M KOH中经3h的电催化反应合成过氧化氢产量达3215mmol
·
L
‑1·
g
cat
‑1，为生产H2O2提供了绿色的合成路线和可持续技术。
[0019]2、本专利技术具有简便、高效、成本低、选择性高、电催化所需电压低的特点，所制备的Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂具有良好的导电性、较多的暴露活性位点以及便捷的质量/电荷传输路径，且有优化的电子结构、较高的催化活性、选择性和稳定性，制备过氧化氢所需电压低，能够应用于电催化制备过氧化氢以及降解有机物等相关领域。
附图说明
[0020]图1是Co,Zn
‑
N
‑
C的SEM图。
[0021]图2是Co,Zn
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N
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C的XRD图。
[0022]图3是Co,Zn
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N
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C的XPS图。
[0023]图4是Co,Zn
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N
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C电催化制备过氧化氢的性能，(a)是RRDE曲线，(b)是选择性和电子转移数曲线。
[0024]图5是Co,Zn
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N
‑
C电催化制备过氧化氢的产量曲线。
具体实施方式
[0025]实施例1
[0026](一)Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，制备方法如下：
[0027]1、KIT
‑
6的制备
[0028]将4g P123和38g 2M盐酸溶解在130g蒸馏水中，在35℃下搅拌8h；再加入5.04g正丁醇继续搅拌1h；最后加入12.8g正硅酸四乙酯持续搅拌24h，转移至反应釜中加热至100℃，保持24h。自然冷却至室温收集样品，用去离子水洗涤数次，80℃干燥过夜。将所得产物转本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，其特征在于，所述Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，制备方法包括如下步骤：将水杨酸，乙酸钴，乙酸锌，KIT
‑
6和PVP分散于乙二醇水溶液中，用氨水调整混合溶液pH为7并搅拌后进行恒温反应，所得产物真空干燥后煅烧，冷却至室温，用氢氟酸除去磨板KIT
‑
6后再次加热进行回流反应，所得产物用去离子水和乙醇洗涤，干燥后得到目标产物Co,Zn
‑
N
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C。2.根据权利要求1所述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，其特征在于，按质量比，水杨酸：乙酸钴：乙酸锌：KIT
‑
6：PVP＝4835:622:548:1800:3000。3.根据权利要求1所述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，其特征在于，所述恒温反应是，水浴80℃保持2h。4.根据权利要求1所述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，其特征在于，所述煅烧是，在N2氛围下，以5℃min
‑1速率升温至700℃，保温1h。5.根据权利要求1所述的一种Co,Zn双金属共掺杂碳电催化剂，其特征在于，所述回流反应是，于煅烧后所得产物中，加入6M硝酸溶液，在90℃下回流反应10h。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：张蕾，孙嘎，杨丽君，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：