[发明专利]模板法制备高比表面生物质碳材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于新材料技术领域，涉及一种高比表面生物质碳材料的制备方法，尤其涉及一种模板法制备高比表面生物质碳材料的方法，主要应用于燃料电池的氧还原催化反应中。 

背景技术

碳材料以其优良的耐热性能、高导热系数、良好化学惰性、高电导率等优点，被广泛应用于冶金、化工、机械、电子、航空等领域。近年来，由于化石资源的短缺，碳材料的发展和应用受到了限制。生物质资源如林业生物质、农业废弃物、动物毛发粪便等属于可再生资源因此成为化石资源的替代品，而且大部分生物质资源都含有丰富的碳元素，成为制备各种碳材料的丰富原料。因此，利用生物质原料制备碳材料，可以降低碳材料生产成本，实现碳材料的可持续发展。

高含氮量的碳材料，由于其表面有很多的活性位点，在碱性环境下对氧化剂具有很好的氧还原催化活性，所以在研究开发高含氮量碳的非贵金属材料作为氧还原催化剂是实现燃料电池工业化的必然途径。然而碳材料比表面积小的问题制约着其氧还原催化活性。因此，制备比表面积较大的碳材料，在燃料电池的氧还原催化反应中具有十分重要的意义。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种模板法制备高比表面生物质碳材料的方法。

本发明制备高比表面生物质碳材料的方法，是将生物质材料洗净、切碎、自然风干后，在氮气保护500～1000 ℃下一次碳化2～3 h，研磨粉碎后依次用硝酸溶液、FeCl₃溶液进行活化处理，洗涤至中性，干燥；加入氧化物作为模板，搅拌反应15～30 min，干燥后球磨；然后在氮气保护，500～1000 ℃下二次碳化2～3 h；最后加入质量浓度40%～60%的HF溶液，搅拌20～24 h以去除氧化物模板；再用去离子水洗至中性，干燥，即得高比表面生物质碳材料。 

所述生物质材料为高含氮量的生物质材料，例如：植物秸秆、蚕茧、黄豆、柳絮或动物粪便。

所述硝酸溶液活化处理工艺：硝酸溶液的浓度为1～2mol/L，处理时间为20～24 h。

所述FeCl₃溶液活化处理的工艺：FeCl₃溶液的浓度为0.5～3 mol/L，处理时间为0.5～1 h。

所述氧化物为微米或纳米级的二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、二氧化锌等，且氧化物模板与一次碳化材料的质量比为1:6～1:3。

所述干燥是在50～80 ℃的鼓风干燥箱中进行。

下面通过以牛粪为生物质原料，对本发明制备的高比表面生物质碳材料进行物理表征和性能测试。

1、拉曼光谱图分析

图1为本发明制备的生物质碳材料的拉曼光谱图。从图1中可以看出，在1304 cm^-1和1595 cm^-1分别出现了碳材料的特征峰，说明该材料是以石墨化状态存在的。

2、BET分析

图2为本发明模板法制备的生物质碳材料的BET与未加入氧化物模板的生物质碳材料的BET对比图。从图2中可以看出，本发明模板法制备的生物质碳材料具有更大的比表面积（模板法制备的比表面达1213.916 m²/g，相比未加入氧化物模板的生物质碳材料的比表面增大了965.292 m²/g），使得碳材料更多的活性位点暴露在表面，从而有效的提高了氧还原催化活性。

3、氧还原性能测试

图3为本发明模板法制备的生物质碳材料的氧还原性能与商业XC-72碳粉的对比图。从图3可以看出，利用本发明的方法制备的生物质碳材料相对商业XC-72碳粉，其氧还原活性有明显的增强。

附图说明

图1为本发明以牛粪为原料制备的生物质碳材料的拉曼光谱图。

图2为牛粪生物质碳材料与利用本发明的方法加入氧化物处理后的BET对比图。

图3为牛粪生物质碳材料的氧还原性能与商业XC-72碳粉的对比图。

具体实施方式

实施例1