一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用，所述聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂包括多壁碳纳米管碳基底和以聚合物形式均匀负载在所述碳基底上的聚吡咯，其中，聚吡咯表面由于聚合过程中采用的化学氧化法引入大量含氧官能团，和聚吡咯结构中规则排布的大量氮原子共同构成数量极多的活性位点。同时聚吡咯上存在的氮原子和氧原子，构成了具有协同作用的高活性位点。所述聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂具有稳定的且优秀的两电子氧还原性能，可用于经济、高效、小规模制备过氧化氢。小规模制备过氧化氢。小规模制备过氧化氢。

【技术实现步骤摘要】
一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化材料
，特别是涉及一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)是一种非常重要的化学物质，在消毒、漂白剂、水处理等一系列工业和医疗保健领域有着广泛的应用。特别是疫情的流行，对H2O2消毒剂的需求越来越大。目前工业生产H2O2主要采用传统的蒽醌氧化法(AOP)，能耗高，污染严重。此外，为了降低运输成本，生产的H2O2通常以高浓度形式存在，这必然会带来额外的安全风险。
[0003]因此，开发一种小型化、分布式、节能的H2O2生产工艺对H2O2相关产业的可持续发展具有重要和迫切的意义。电催化二电子氧还原反应(2e
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ORR)因其节能环保的特点被认为是替代传统AOP的一种很有前途的方法。在2e
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ORR制H2O2过程中，起着关键作用，从根本上决定了整个过程的选择性、产率和稳定性。因此，探索具有上述特点的先进已成为该领域的一个重要课题。
[0004]多位点催化剂不仅可以增加活性中心的数量，而且可以广泛的调节材料表面的电子结构，有效的优化各种反应物和中间体的吸附，使其备受人们的关注。然而，对于2e
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‑
ORR，研究主要集中在具有多金属原子配位的活性中心的构建，包括同核和异核金属原子。但这些金属基多位点催化剂的内在问题可能对进一步提高其催化能力构成显著的阻抗。
[0005]首先，与金属基催化剂类似，多位点催化剂在电催化反应中也容易被钝化，特别是被各种含氧物质钝化。其次，由于金属原子容易聚集，催化剂表面的多金属活性中心的密度很难达到足够高的水平。因此，尽管这些金属基多位点催化剂通常显示高活性(2e
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ORR)，使其具有非常低的过电位和高选择性，但他们往往无法达到满意的过氧化氢产率和电催化的耐久性。在这种情况下，构建基于非金属活性中心的多位点催化剂可能是解决上述问题的可行方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂。
[0007]本专利技术的另一个目的是提供一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法。
[0008]本专利技术的另一个目的是提供一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂在电催化氧还原制备过氧化氢中的应用。
[0009]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0010]一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，包括以下步骤：将多壁碳纳米管分散在去离子水中，搅拌后得到多壁碳纳米管分散液；依次向所述多壁碳纳米管分散液中加入吡咯单体、过氧化氢、过硫酸铵水溶液并持续搅拌，得到分散液，离心洗涤上述分散液，将得到产物冻干，即得聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂。
[0011]在上述技术方案中，所述多壁碳纳米管与吡咯单体的质量比为1：(0
‑
2)，且吡咯单体的质量不为0；
[0012]在上述技术方案中，所述过氧化氢为质量分数为30％的水溶液，吡咯单体与过氧化氢的质量比为1：(10
‑
20)。
[0013]在上述技术方案中，所述吡咯单体与过硫酸铵水溶液的质量比为1：(2
‑
5)。
[0014]在上述技术方案中，所述分散液的持续搅拌在0摄氏度的冰水浴中进行，时间为3
‑
12小时。
[0015]在上述技术方案中，所述分散液分别利用去离子水，甲醇和丙酮离心洗涤。
[0016]在上述技术方案中，所述产物的冻干为真空冷冻。
[0017]本专利技术的另一方面，还包括利用所述的制备方法得到的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂。
[0018]本专利技术的另一方面，还包括所述的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂在制备过氧化氢中的应用，将所述聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂均匀分散在含nafion、异丙醇与水的混合溶液中得到浓度为2
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10mg/mL的浆料，将上述浆料滴涂在旋转圆盘电极上的玻碳电极，并于室温晾干，得到负载有多个吡咯氮共存的石墨烯介孔电催化剂的玻碳电极，以KOH的水溶液为电解液，所述聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的玻碳电极为工作电极，电催化氧还原制备过氧化氢。
[0019]在上述技术方案中，所述nafion、异丙醇与水的体积比为(3
‑
5)：20：(75
‑
77)。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0021]1.本专利技术的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂相较于单或多金属催化剂具有更持久的催化性能，在催化材料的合理利用和绿色能源等方面均展现出来巨大的潜力。
[0022]2.本专利技术的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂相较于金属原子催化剂，聚吡咯表面由于聚合过程中采用的化学氧化法引入大量含氧官能团，和聚吡咯结构中规则排布的大量氮原子共同构成数量极多的高活性位点，通过将含有氧和规则排布氮的聚吡咯活性位点直接引入到多壁碳纳米管骨架上得到含有极多氧氮协同作用的P
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CNTs
‑
X催化材料，其材料具有丰富且有序的聚合物结构，可用于经济、高效、小规模制备过氧化氢。
[0023]3.本专利技术的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂中规则排布的吡咯氮原子和氧原子的协同作用有效的激活了周围的碳原子，使其具有良好的活性和导电性，使其能够在电催化两电子氧还原制备过氧化氢的过程中表现出优异的反应活性，产率，选择性及稳定性。
[0024]4.本专利技术利用化学氧化法获得了聚吡咯包裹在多壁碳纳米管上的电催化剂，过氧化氢作为氧化剂，过硫酸铵作为引发剂，本专利技术制备方法工艺简单、设备和材料成本低廉、符合实际生产需要。
附图说明
[0025]图1氧掺杂的聚吡咯的掺杂示意图。
[0026]图2是实施例1所制备的P
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CNTs
‑
100复合材料的表面SEM图。
[0027]图3是实施例1所制备的P
‑
CNTs
‑
100复合材料的表面TEM图。
[0028]图4是实施例1所制备的P
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CNTs
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100复合材料的TEM放大图。
[0029]图5是实施例1所制备的P
‑
CNTs
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X复合材料的红外光谱图。
[0030]图6是实施例1所制备的P
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CNTs
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X复合材料的拉曼光谱图。
[0031]图7是以实施例1所制备的P
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CNTs
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100材料的TEM面分布扫描图
[0032]图8是以实施例1所制备的P
‑
CNTs
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X复合材料的XPS全谱图
[0033]图9是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：将多壁碳纳米管分散在去离子水中，搅拌后得到多壁碳纳米管分散液；依次向所述多壁碳纳米管分散液中加入吡咯单体、过氧化氢、过硫酸铵水溶液并持续搅拌，得到分散液，离心洗涤上述分散液，将得到产物冻干，即得聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂。2.如权利要求1所述的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，所述多壁碳纳米管与吡咯单体的质量比为1：(0
‑
2)，且吡咯单体的质量不为0。3.如权利要求1所述的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，所述过氧化氢为质量分数30％的水溶液，吡咯单体与过氧化氢的质量比为1：(10
‑
20)。4.如权利要求1所述的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，吡咯单体与过硫酸铵水溶液的质量比为1：(2
‑
5)。5.如权利要求1所述的聚吡咯包覆多壁碳纳米管电催化剂的制备方法，其特征在于，所述分散液的持续搅拌在0摄氏度的冰水浴中进行，时间为3
‑
12小时。6....

【专利技术属性】
技术研发人员：彭威，梁骥，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：