一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料及其制备方法和用途技术

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体涉及一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料及其制备方法和用途。所述缺陷碳材料的晶格条纹间距大于0.335nm，所述缺陷碳材料中的缺陷位点是边缘缺陷位点和/或空位缺陷位点。本发明专利技术选择负载在碳上的碳化钼(Mo2C/C)作为母体催化剂，选择合适的电位范围，在0.1M KOH电解液中对母Mo2C/C进行电化学循环伏安法(CV)，选择性刻蚀掉了化合物中的Mo元素，并使之衍生成特定结构的缺陷碳骨架。这种缺陷碳结构显著提高了催化剂两电子氧还原(2e

【技术实现步骤摘要】
一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料及其制备方法和用途


[0001]本专利技术属于电化学
，具体涉及一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料及 其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)作为一种高效的绿色化学品，在漂白、医用消毒和废水处 理等领域发挥着越来越重要的作用。电催化两电子氧还原反应(2e
‑
ORR)提供 了一种可以分散式生产H2O2的技术，可以满足这些应用日益增长的需求。
[0003]电化学氧还原反应一般存在两种反应路径，即通过四步电子
‑
质子耦合反应 生成H2O(公式1)和通过两步电子
‑
质子耦合反应生成H2O2(公式2)。
[0004]O2+2H2O+4e
‑
→
4OH
‑
E
°
＝1.23V vs.RHE
ꢀꢀꢀ
(1)
[0005][0006]四电子氧还原反应(4e
‑
ORR)由于输出的能量效率最大，是燃料电池中最 重要的半反应之一。而两电子氧还原反应(2e
‑
ORR)则可以实现在分散的小型 设备上产生H2O2，避免了H2O2储存和运输带来的风险。从反应机理上看，4e
‑ ORR和2e
‑
ORR经历了相同的第一步基元反应(公式3)。
[0007]O2(g)+H2O(l)+e
‑
+*
→
OOH*+OH
‑
ꢀꢀꢀ
>(3)
[0008]如果中间体OOH*发生断键，则进行两电子路径(公式4)：
[0009][0010]如果中间体OOH*不发生断键，则继续进行质子
‑
电子转移生成H2O(公式 5
‑
7)：
[0011]OOH*+e
‑
→
OH
‑
+O*
ꢀꢀꢀ
(5)
[0012]O*+H2O(l)+e
‑
→
OH
‑
+OH*
ꢀꢀꢀ
(6)
[0013]OH*+e
‑
→
OH
‑
+*
ꢀꢀꢀ
(7)
[0014]因此可以看出，催化剂对于中间体OOH*的吸附强度很大程度上决定了ORR 中H2O2的选择性，有效的设计具有合适吸附强度的催化剂至关重要，这依然是 个挑战。近年来，碳基材料被发现可以有效地催化氧还原生成H2O2。此外，一 些研究表明，通过缺陷工程构建具有环、空位、边缘的缺陷结构可以进一步提高 其2e
‑
ORR的催化性能。
[0015]迄今为止，已经开发了很多方法制备缺陷碳基催化剂用于电化学H2O2生产。 其中，高温煅烧、球磨和化学氧化/酸碱刻蚀法是比较常见的缺陷碳构造方法。 但是，这些方法往往涉及到高温和复杂的程序，合成出的碳材料可能含有各种缺 陷结构，这些缺陷结构或多或少会影响整体的电催化活性和选择性。因此，为了 精确控制缺陷的形成并确定它们对2e
‑
ORR的具体影响以进一步提升催化性能， 需要开发出精确可控的缺陷碳合成方法。
[0016]为了解决以上问题，提出本专利技术。

技术实现思路

[0017]本专利技术第一方面提供一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料，所述缺陷碳材料的 晶
格条纹间距大于0.335nm，所述缺陷碳材料中的缺陷位点是边缘缺陷位点和/ 或空位缺陷位点。
[0018]优选地，所述缺陷碳材料的晶格条纹间距为：0.368nm、0.347nm或0.382nm。
[0019]优选地，所述缺陷碳材料为葡萄糖衍生碳负载的碳化钼球形纳米颗粒中的钼 被部分或全部刻蚀后留下的功能化碳骨架，所述球形纳米颗粒的平均粒径为2.4 nm。
[0020]所述缺陷碳材料包括：碳基底和负载在所述碳基底上的钼被至少部分刻蚀的 碳化钼相。
[0021]所述缺陷碳材料为球形纳米颗粒被刻蚀后留下的功能化碳骨架。
[0022]所述球形纳米颗粒的平均粒径为2.4nm。
[0023]钼被至少部分刻蚀的碳化钼相：碳化钼中，钼可以被完全刻蚀或部分刻蚀。
[0024]本专利技术第二方面提供第一方面所述的缺陷碳材料的制备方法，所述制备方法 包括：
[0025]步骤1，通过溶剂热法合成前驱体MoO
x
；
[0026]步骤2，通过镁热还原反应制备母体Mo2C/C；
[0027]步骤3，通过电化学刻蚀法对所述母体Mo2C/C进行活化制备所述的缺陷碳 材料。
[0028]优选地，所述步骤1通过溶剂热法合成MoO
x
前驱体的具体操作为：
[0029]将MoCl5溶解在醇中，然后将得到的溶液转移到高压釜中，并在180℃下加 热12h，冷却至室温后，固液分离，洗涤，干燥，得到前驱体MoO
x
。
[0030]优选地，所述步骤2，通过镁热还原反应制备所述母体Mo2C/C的具体操作 为：
[0031]首先将步骤1得到的前驱体MoO
x
、葡萄糖、Mg粉末和NaCl混合得到混合 物，随后将混合物放入氩气氛围中的管式炉中进行煅烧，升温程序如下：室温以 5℃min
‑1的速率加热至750℃，在该温度保持2h，然后以5℃min
‑1的速率降 至室温。酸洗所得产物以去除形成的MgO，随后用水和醇洗涤，最后干燥，得 到所述母体Mo2C/C；
[0032]其中，MoO
x
前驱体、葡萄糖、Mg粉末和NaCl的质量比为：2:2:3:5。
[0033]优选地，所述步骤3，通过电化学刻蚀法对所述母体Mo2C/C进行活化制备 所述的缺陷碳材料的具体操作为：
[0034]以Hg/HgO电极和石墨棒分别作为参比电极和对电极，以含有所述母体 Mo2C/C的电极材料作为工作电极，电解液为0.1M KOH溶液。
[0035]在0.1至
‑
0.8V vs.Hg/HgO的电位范围内进行循环伏安法扫描，扫描1～30 圈，得到所述缺陷碳材料Mo
‑
CDC
‑
ns。
[0036]优选地，所述扫描速率为10mV s
‑1。
[0037]优选地，所述扫描圈数为10圈，20圈或30圈。
[0038]本专利技术第三方面提供第一方面所述的缺陷碳材料的用途，所述缺陷碳材料用 于电化学催化两电子氧还原为过氧化氢。
[0039]上述技术方案在不矛盾的前提下，可以自由组合。
[0040]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0041]1、本专利技术利用电化学刻蚀法根据特定元素的氧化还原电位不同，选择性地 刻蚀掉化合物中地特定元素，从而实现特定结构催化剂的制备。因此本专利技术是一 种操作简单、安全、可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种通过碳化钼制备的缺陷碳材料，其特征在于，所述缺陷碳材料的晶格条纹间距大于0.335nm，所述缺陷碳材料中的缺陷位点是边缘缺陷位点和/或空位缺陷位点。2.根据权利要求1所述的缺陷碳材料，其特征在于，所述缺陷碳材料的晶格条纹间距为：0.368nm、0.347nm或0.382nm。3.根据权利要求1所述的缺陷碳材料，其特征在于，所述缺陷碳材料为葡萄糖衍生碳负载的碳化钼球形纳米颗粒中的钼被部分或全部刻蚀后留下的功能化碳骨架，所述球形纳米颗粒的平均粒径为2.4nm。4.根据权利要求1所述的缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤1，通过溶剂热法合成前驱体MoO
x
；步骤2，通过镁热还原反应制备母体Mo2C/C；步骤3，通过电化学刻蚀法对所述母体Mo2C/C进行活化制备所述的缺陷碳材料。5.根据权利要求4所述的缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤1通过溶剂热法合成MoO
x
前驱体的具体操作为：将MoCl5溶解在醇中，然后将得到的溶液转移到高压釜中，并在180℃下加热12h，冷却至室温后，固液分离，洗涤，干燥，得到前驱体MoO
x
。6.根据权利要求4所述的缺陷碳材料的制备方法，其特征在于，所述步骤2，通过镁热还原反应制备所述母体Mo2C/C的具体操作为：首...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春雨，王涖，刘国柱，张香文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：