一种用于高效合成H2O2的核壳结构Zn-O-C单原子电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于高效合成H2O2的核壳结构Zn

【技术实现步骤摘要】
一种用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于金属负载型电催化剂的合成
，具体涉及一种高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]过氧化氢（H2O2）是一种绿色、可再生、环境友好的氧化剂，被广泛应用于医用消毒、污水处理、纸浆漂白、精细化工等领域，被列为全球一百种最重要的化学物质之一。尽管H2O2在发展绿色化学化工中扮演了越来越重要的角色，但是现有的工业蒽醌法制备方法过程不够“绿色”，制备方法具有投资成本高、过程复杂、污染环境、存储/输运/使用不方便等显著缺点。因此，通过电化学氧还原途径制备H2O2的新方法作为一种潜在的替代路径受到重视。电化学氧还原法具有反应条件简单、生产过程清洁和时间消耗低等优点，是一种安全、节能、绿色且可持续的H2O2生产方式。目前电化学氧还原制备H2O2过程使用的催化剂主要是贵金属材料（Pd、Au、Ag、Pt
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Hg等），因其储量有限、价格高昂，难以满足现代化工对绿色、环保和可持续发展的需求。单原子电催化剂因具有较高的原子利用率以及充分暴露的活性位点和100%的原子利用率而受到研究者的青睐，有望作为贵金属催化剂的替代材料应用于电化学氧还原反应中。然而合成高性能的单原子电催化剂仍是制约电催化合成H2O2的关键瓶颈。因此，设计高选择性的单原子电催化剂是实现绿色生产H2O2的当务之急。
专利技术内容
[0003]本专利技术解决的技术问题是提供了一种用于高效合成H2O2的核壳结构的Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，该方法以具有空心结构的含有丰富含氧官能团的ZIF
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8为前驱体，在高温烧结过程中引入S源，合成了能够高效制备H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂。
[0004]本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将2
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甲基咪唑的甲醇溶液和锌盐的甲醇溶液混合静置，再进行固液分离和干燥处理得到多面体ZIF
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8；步骤S2：将步骤S1得到的多面体ZIF
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8在单宁酸溶液中搅拌处理，再进行固液分离和干燥处理得到空心结构的ZIF
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8；步骤S3：将步骤S2得到的空心结构的ZIF
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8置于管式炉中，并在ZIF
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8的前方放置升华硫，在惰性气体气氛下以1~10℃/min的升温速率升温至600℃恒温2~4h，然后自然冷却至室温；步骤S4：将步骤S3得到的物料用酸溶液浸泡，然后进行抽滤，并用水洗至中性，烘干得到用于高效合成H2O2的核壳结构的Zn
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C单原子电催化剂，该核壳机构Zn
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C单原子电催化剂中金属Zn以单原子的形式负载在氮/硫共掺杂的碳材料上，且金属Zn的负载量为2wt%~8wt%。
[0005]进一步限定，步骤S1中所述2
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甲基咪唑与锌盐的摩尔比为1~8:1。
[0006]进一步限定，步骤S2中所述单宁酸的浓度为3~8g/L，搅拌处理时间为10~20min。
[0007]进一步限定，步骤S3中所述空心结构的ZIF
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8和升华硫的质量比为1:4~8。
[0008]进一步限定，步骤S3中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中的一种或多种。
[0009]进一步限定，步骤S4中所述酸溶液为盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸或乙酸中的一种或多种，酸溶液的浓度为0.5~4M，酸溶液处理温度为25~100℃，酸溶液处理时间为2~24h。
[0010]本专利技术所述的用于高效合成H2O2的Zn
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C电催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将溶解有2.38g硝酸锌的120mL甲醇溶液倒入溶解有2.13g 2
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甲基咪唑的120mL甲醇溶液，静置12h，进行固液分离和干燥处理得到多面体ZIF
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8；步骤S2：将0.4g步骤S1得到的多面体ZIF
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8分散再200mL、5g/L单宁酸溶液中搅拌10min，然后再进行固液分离和干燥处理得到空心结构的ZIF
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8；步骤S3：将0.2g步骤S2得到的空心结构的ZIF
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8置于管式炉中，并在ZIF
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8的前方放置0.04g升华硫，在氮气气氛下以3℃/min的升温速率升温至600℃恒温3h，然后自然冷却至室温；步骤S4：将步骤S3得到的物料用2M的盐酸常温浸泡24h，然后进行抽滤，并用水洗至中性，再于80℃烘干得到用于高效合成H2O2的核壳结构的Zn
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C单原子电催化剂。
[0011]本专利技术所述的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂催化合成H2O2的具体过程为：将1mg制得的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂分散在水、乙醇和Nafion的混合溶液中，超声分散均匀后，取溶液滴加到圆盘环盘电极上，在空气中晾干，采用三电极体系进行测试，Hg/HgO电极和铂片分别作为参比电极和对电极，电解液是O2饱和的0.1M KOH溶液，该核壳结构Zn
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C单原子电催化剂催化合成H2O2的选择性高达90%。
[0012]本专利技术与现有技术相比具有以下优点和有益效果：1、本专利技术基于核壳结构的Zn
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C单原子电催化剂制备H2O2的方法与传统的蒽醌法相比，绿色环保且可直接用于污水处理等领域。
[0013]2、本专利技术中单宁酸不仅为原子分散的锌提供足够的氧配位环境，而且形成的核壳结构有利于氧气以及中间体的传输。
[0014]3、本专利技术提供的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂通过以下方法进行评价：采用旋转环盘电极和电化学工作站测试催化剂的催化性能。将催化剂超声分散于水、乙醇和Nafion的混合溶液中，分散均匀后，取适量滴加到旋转圆盘环盘电极上，自然晾干。电解液为0.1M KOH溶液，在氧气饱和的电解液中进行线性扫描伏安（LSV）和循环伏安（CV）测试，结果表明该核壳结构Zn
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C单原子电催化剂催化合成H2O2的选择性高达90%。
附图说明
[0015]图1是实施例1制备的Zn
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C单原子电催化剂的SEM图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将2
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甲基咪唑的甲醇溶液和锌盐的甲醇溶液混合静置，再进行固液分离和干燥处理得到多面体ZIF
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8；步骤S2：将步骤S1得到的多面体ZIF
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8在单宁酸溶液中搅拌处理，再进行固液分离和干燥处理得到空心结构的ZIF
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8；步骤S3：将步骤S2得到的空心结构的ZIF
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8置于管式炉中，并在ZIF
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8的前方放置升华硫，在惰性气体气氛下以1~10℃/min的升温速率升温至600℃恒温2~4h，然后自然冷却至室温；步骤S4：将步骤S3得到的物料用酸溶液浸泡，然后进行抽滤，并用水洗至中性，烘干得到用于高效合成H2O2的核壳结构的Zn
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C单原子电催化剂，该核壳机构Zn
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C单原子电催化剂中金属Zn以单原子的形式负载在氮/硫共掺杂的碳材料上，且金属Zn的负载量为2wt%~8wt%。2.根据权利要求1所述的用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述2
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甲基咪唑与锌盐的摩尔比为1~8:1。3.根据权利要求1所述的用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S2中所述单宁酸的浓度为3~8g/L，搅拌处理时间为10~20min。4.根据权利要求1所述的用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述空心结构的ZIF
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8和升华硫的质量比为1:4~8。5.根据权利要求1所述的用于高效合成H2O2的核壳结构Zn
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C单原子电催化剂的制备方法，其特征在于：步骤S3中所述惰性气体为氮气、氩气或氦气中...

【专利技术属性】
技术研发人员：高书燕，位港亚，刘旭坡，王坤，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：