一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用技术

本发明专利技术公开了一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用，以碳化钨作为改性前驱体，利用二氧化碳高温掺氧，在碳化钨表面引入特定的含氧官能团，本发明专利技术使用过渡金属碳化物作为前驱体通过对其进行表面改性来结合过渡金属及含氧官能团，采用了不同的处理方法对材料进行对比，在大量的实验的基础上得到了性能最优的催化剂。得到了性能最优的催化剂。得到了性能最优的催化剂。

【技术实现步骤摘要】
一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用


[0001]本专利技术属于催化剂
，具体涉及一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法及其产品和应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)是一种多功能的、环境友好的氧化剂，具有广泛的工业及家庭用途，如纸张漂白、废水处理、化学合成和杀菌消毒等。除了这些熟知的应用外，H2O2还是一种绿色的能源载体，它通过放热化学分解可以释放出96kJ mol
‑1的能量，并只会产生水和氧气两种副产物。这种可控的过氧化氢分解方式允许它在不同的场景中将化学能转化为动能，包括火箭和赛车的推进剂、类人机器人的燃料和自推进粒子等。2015年H2O2产量超过500万吨，说明了其在世界工业应用中的重要性。
[0003]目前，全球95％以上的H2O2来源于蒽醌的自氧化，这一过程需要使用贵金属催化剂，并用液一液萃取方法分离出过氧化氢，该过程耗能极大，只有在大型化工厂才可用。而蒽醌工艺在通常情况下生产的H2O2是高度浓缩的，这在稳定性、储存、运输和稀释等方面存在安全风险。其次，在蒽醌过程中，H2O2是在碱性溶液中产生的，众所周知这可以加速其分解为水。因此，为了提高其在运输过程中的稳定性，需要使用稳定剂来减缓其分解作用，而后续去除这些添加剂既昂贵又耗费时间。基于上述缺点，工业界和学术界都应该大力发展更清洁、更安全、更高效的过氧化氢生产方法。
[0004]最近，通过氧还原的电化学策略为现场生产H2O2提供了一条很有吸引力的路线，因为它可以有效的解决与蒽醌法和氢氧直接合成法相关的问题。此外，氧气电化学还原法能与可再生能源耦合，因此可以在偏远地区使用。其反应的过程十分柔和，原料是廉价易得的空气，消耗的电能也可以通过风力、太阳能等清洁可再生能源产生，并且只会产生水一种副产物对环境非常友好。所以，电催化氧还原制备H2O2成为了当下的一个十分火热的话题。在电化学制备H2O2的过程中，二电子氧还原的催化剂起着至关重要的作用。其中贵金属催化剂活性高，选择性强，但是贵金属的储备在我们地球上是十分有限的，所以导致了昂贵的价格，这也进一步遏制了贵金属的广泛应用，其次碳基催化剂也是研究较多的一类催化剂，但目前存在活性低、稳定性差等问题。所以开发一种价格低廉且能够广泛应用的二电子氧还原催化剂便十分重要。

技术实现思路

[0005]本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。
[0006]作为本专利技术其中一个方面，本专利技术提供一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法：以碳化钨作为改性前驱体，利用二氧化碳高温掺氧，在碳化钨表面引入特定的含氧官
能团。
[0007]作为本专利技术所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：将碳化钨在管式炉中通入二氧化碳并加热，加热至温度为300～600℃。
[0008]作为本专利技术所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：加热时间为60～120min。
[0009]作为本专利技术所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：所述二氧化碳的流通速率为60mL/min。
[0010]作为本专利技术所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：加热温度为400℃。
[0011]作为本专利技术所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法的一种优选方案：所述加热，升温速率为5℃/min。
[0012]本专利技术还提供得到的电催化生产过氧化氢的催化剂在电催化材料中的应用，将所述催化剂加水制成墨水后，滴至环盘电极上自然晾干，使得电极上催化剂的负载量达到300mg cm
‑2，电解为0.1M KOH溶液。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术采用高温加热法制备出一种新型的WC催化剂。将该催化剂应用于二电子氧还原反应性能测试表现出良好的电催化性能。通过调控反应时间和温度来提高材料的电催化性能和电化学性能。通过与金属毒化实验和水合肼还原实验性能比较说明，反应性能的提升关键在于金属钨位点与含氧官能团(C＝O)之间的协同作用，在不降低反应活性的同时提升催化材料的选择性。最优的催化性能的处理条件是400℃下煅烧一个小时，最佳电子转移数达到了2.2，对二电子氧还原的选择性达到91％，已经达到了一个极其优异的性能，为后续工业应用做了一个良好的铺垫。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
[0015]图1为是WC
‑
CO2合成流程图；
[0016]图2是WC、WC
‑
CO2扫描电镜图(a,c)；WC
‑
CO2的TEM图(b)和mapping图(d，e，f)；
[0017]图3是纳米WC，WC
‑
CO2的XRD图(a)和Raman图(b)；
[0018]图4是纳米WC，WC
‑
CO2的O1S轨道XPS图(a，b)；纳米WC，WC
‑
CO2的W4f轨道XPS图(c,d)；
[0019]图5是WC
‑
CO2在Ar饱和与氧气饱和的0.1MKOH电解液中的CV扫描曲线；
[0020]图6是WC、WC
‑
CO2、WC
‑
CO2‑
KSCN、WC
‑
CO2‑
AH的RRDE性能测试盘电流密度和环电流(a)；H2O2选择性和电子转移数(b)；
[0021]图7是WC
‑
CO2‑
X不同煅烧温度下的RRDE性能测试(a)；WC
‑
400
‑
X不同煅烧时间下的RRDE性能测试(b)；
[0022]图8是计时电位法测试电流测试WC
‑
CO2的电化学稳定性测试图。
[0023]图9是不同浓度Ce
4+
溶液的紫外可见吸收光谱(a)；拟合的标准曲线(b)。
具体实施方式
[0024]为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本专利技术的具体实施方式做详细的说明。
[0025]实施例1：
[0026]WC
‑
CO2的制备：称取一定量的纳米碳化钨，将其放置在磁舟中，使碳化钨在磁舟中均匀地分布，然后将磁舟转移到石英管中，将石英管放在管式炉中组装好，(加热之前流通CO2气体30分钟以排除石英管内的空气。CO2的流通速率大概为60mL/min)升温速率为5℃/min，从室温升至指定温度，即分别升温至30本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法，其特征在于：以碳化钨作为改性前驱体，利用二氧化碳高温掺氧，在碳化钨表面引入特定的含氧官能团。2.根据权利要求1所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法，其特征在于：将碳化钨在管式炉中通入二氧化碳并加热，加热至温度为300～600℃。3.根据权利要求2所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法，其特征在于：加热时间为60～120min。4.根据权利要求2或3所述的电催化生产过氧化氢的催化剂的制备方法，其特征在于：所述二氧化碳的流通速率为60mL/min。5.根据权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：李忠涛，甄志远，耿立娜，王辉，王旻，林艳，吴文婷，吴明铂，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：