[发明专利]一种速生构树制备催化氧还原反应(ORR)活性炭的新方法

说明书

本发明公开了一种速生构树制备催化氧还原反应(ORR)活性炭的新方法。本发明以构树枝为原料，经过低温水热反应和水蒸气活化反应制备了催化活性炭(NAC)。具体步骤为：首先将构树枝去皮、干燥、粉碎后，放入聚四氟乙烯内衬的不锈钢反应釜中，加入水、酸溶液，搅拌均匀，密封后放入烘箱中反应。自然冷却至室温后，过滤，热水洗涤，干燥；将干燥后样品在氮气气氛下高温焙烧、水蒸气活化处理，洗涤，研磨后制得NAC。本发明合成方法简单，过程环境友好，容易实现，制备的催化剂可以用于催化ORR。

技术领域

本发明涉及一种构树枝制备催化氧还原反应(ORR)活性炭的新方法。

背景技术

构树为多年生阔叶乔木，广泛分布于我国南部省区、华北全境、西北东部，为我国特有的乡土树种，具有生长快、耐干旱、贫瘠，抗病性强、易繁殖、抗污染能力强等特点。构树是一种综合效益较高的野生经济树种，广泛应用于造纸、饲料、医药等行业，并在环境保护生态修复上发挥重要作用。构树具有广泛的经济价值和社会价值，受到越来越多的关注，应大力开发利用。

能源环境问题是全球可持续发展面临的主要挑战，化石燃料使用过程中碳和颗粒物排放容易加剧温室效应和造成空气污染。为了实现可持续发展，必须发展新型绿色能源、提高能源利用效率。金属-空气电池、燃料电池是重要电化学能量转换器件，在新能源体系中发挥重要作用。ORR是金属-空气电池、多类型燃料电池的正极反应，决定了上述电池放电电压、输出功率等性能。ORR催化剂的制备成本是影响其应用的关键问题。商业所用ORR催化剂(Pt/C)，储量低、成本高，催化稳定性欠佳，影响其工业化应用。杂原子或金属改性的纳米碳材料展现出作为ORR催化剂的潜力，但石墨烯和碳纳米管等碳材料的制备工艺依赖于由化石燃料进行碳-氢键活化而脱氢碳化，合成条件苛刻、能耗高、密度低，制备成本高且工艺对环境有一定危害，制约了它们作为燃料电池阴极催化材料的应用。因此，开发储量高、廉价、高效、稳定的非贵金属催化剂是该领域的研究重点。活性炭材料有望作为贵金属的替代催化剂。

木质活性炭具有原料易得、制备过程可控、环境友好、生产可持续的特点，表面改性后ORR性能良好，有望作为阴极催化剂应用于金属-空气电池和燃料电池。国内外对构树的研究日益重视，但构树作为原料制备生物基炭催化剂的应用还未被报道。

发明内容

针对上述现状，本发明的目的在于提供一种构树枝制备催化氧还原反应(ORR)活性炭的新方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：所述活性炭为含氮的多孔活性炭(NAC)；以构树枝为原料，经过低温水热反应和水蒸气活化反应制备催化活性炭。

一种构树枝制备催化氧还原反应(ORR)活性炭的新方法，步骤如下：

(1)、将构树枝去皮、干燥、粉碎后，加入水和酸混合液中，水热，抽滤、热水洗、干燥；

(2)、将(1)干燥后样品进行水蒸气活化反应，在氮气和水蒸气气氛下高温焙烧；

(3)、用稀盐酸、热水、乙醇洗涤(2)步样品，干燥，制得NAC；

步骤(1)中，以体积比计，酸∶H₂O＝1∶8.5～12.5；水热温度为110～190℃，水热时间保持5～30h。

步骤(2)中，以质量比计，水热后样品∶水蒸汽＝1∶3.5～4.5，焙烧条件为：先在氮气气氛下以10.5～11.5℃·min^-1升温速率升至800～850℃，然后切换为水蒸气气氛下焙烧，保持0.4～1.5h。

步骤(3)中，稀盐酸的浓度为5.5～10.5％，热水煮沸洗涤2～3次。

有益效果：

1.本发明采用构树枝制备ORR催化剂，原料易得、制备过程简单可控，环境友好、生产可持续；