[发明专利]一种含N碳气凝胶电极的制备活化方法

说明书

技术领域

本发明属于碳材料领域，尤其是涉及一种含N碳气凝胶电极的制备活化方法。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种重要的化学品，被广泛用于漂白试剂、化学合成反应物、火箭推进剂、抗菌剂和水净化试剂等。H₂O₂作为氧化剂使用时，由于副产物为H₂O，因此是一种绿色的氧化剂。原位电化学还原O₂产生H₂O₂，克服了H₂O₂因储存和运输带来的危险，并且不受制备条件的限制，是一种非常有前景的技术。因此，如何有效地控制O₂还原使其尽可能地发生两电子还原产生H₂O₂，就成为研究的热点和难点问题。

阴极材料的性质和结构对于O₂还原活性有着重要的影响。阴极材料对O₂两电子还原反应的选择性与材料表面的催化活性位点种类有关，而反应催化活性与阴极材料的电化学活性面积、导电性以及传质性能有关。其中，碳材料由于导电性好、析氢超电势高、化学稳定性以及对于H₂O₂低的催化活性而被广泛用于电催化产生 H₂O₂的研究。据文献调研，用于电化学还原O₂产生H₂O₂的碳材料主要有石墨、活性碳纤维、网状玻璃碳、碳毡/石墨毡、碳海绵和碳/PTFE复合电极材料等。碳材料电催化产生H₂O₂常在碱性介质中进行，尤其是氧功能化的碳材料表面(例如醌基)，能够显著增强其电催化还原氧气的活性。但是，氢氧根离子会催化H₂O₂分解，并且H₂O₂在实际应用中经常需要酸性介质。在碳基电极上，ORR在酸性介质中需要高的超电势，而醌基在酸性环境中不能催化ORR。因此，如何在酸性介质中提高碳电极的电催化性能，就成为我们关注的焦点。

中国专利CN 104446330B公开了一种超高比表面积掺氮碳气凝胶的制备方法，以三聚氰胺、间苯二酚和甲醛为原料，三嵌段共聚物F68为模板剂，氢氧化钠为催化剂，经溶胶-凝胶反应、溶剂交换、常压干燥和高温碳化得到掺氮碳气凝胶；再在高温下以二氧化碳作为活化剂进行活化，得到超高比表面积的掺氮碳气凝胶，通过以三聚氰胺、间苯二酚和甲醛作为反应前驱体，保证得到的材料中掺入氮元素的稳定性和均匀性，加入三嵌段共聚物F68作为模板剂，用于在碳气凝胶中形成微米级的孔道和极大的改善传统气凝胶常压干燥制备过程中发生的严重的收缩塌陷现象；采用二氧化碳对掺氮碳气凝胶进行活化处理，微米级孔道的存在有利于二氧化碳深入到材料内部进行刻蚀，从而使材料的比表面积得到极大提升。与此专利相比，本申请的掺氮碳气凝胶制备方法更简单，对掺氮碳气凝胶活化温度及方法进行优化。使掺氮碳气凝胶更有利ORR活性的提高，对掺入氮的类型随温度变化，进行分析，得到石墨型的氮有利于2e^-ORR活性，改性过后的碳气凝胶产生更多的 H₂O₂。可用于电芬顿体系的阴极材料，电动生成H₂O₂，提高芬顿活性，更快的降解污染物，扩大了掺氮碳气凝胶应用领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以提高生 H₂O₂产量，降低成本，制备方法简单的含N碳气凝胶电极的制备活化方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含N碳气凝胶电极的制备活化方法，在碳气凝胶骨架中原位掺入N，并对N掺杂碳气凝胶CO₂和N₂活化，调节气凝胶的亲疏水性，制备出具有高催化活性N掺杂碳气凝胶，采用以下步骤：