[发明专利]过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法

说明书

本发明属于燃料电催化技术领域，特指一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法。本发明采用生物质梅花作为碳前驱体，氯化铁作为铁前驱体，三聚氰胺作为氮前驱体，通过高温热解获得氮掺杂碳管，材料具有来源广泛、成本低廉、制备简单等优点，便于实现大规模工业化生产。本发明利用金属Fe在外层碳壁上催生出碳管，提高了材料导电性，内部碳结构在高温热解氮掺杂过程中形成丰富的孔洞与缺陷，有助于电子及反应物质的传输与扩散。本发明通过添加Fe元素的比例，调控碳材料的形貌，氮元素的加入为材料提供了更多的活性位点，提高了催化剂的氧还原活性。

技术领域

本发明属于燃料电催化技术领域，具体的说是一种将废弃的梅花转化为电化学氧还原催化剂的制备方法和应用；特指一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法。

背景技术

在当今世界迅速发展的时代，全球对能源的需求和利用日益增加。燃料电池由于具有较高的能量转化能力和较低的污染，被认为是未来应对能源危机最具前景的技术之一。然而，发生在阴极的氧还原反应(ORR)缓慢的动力学过程是燃料电池的应用和发展的一个“短板”。因此，寻找性能优良的阴极电催化剂已成为当务之急。目前，最高效的商业铂碳(Pt/C)催化剂因其成本高、资源稀缺、长期稳定性差、耐甲醇性差等问题，限制了燃料电池的大规模商业化应用。因此，急需开发一种可替代商业Pt/C的高效非Pt电催化剂。近年来，氮掺杂碳载过渡金属材料因其高活性和高稳定性的氧还原性能，被认为是最具前景的催化材料之一。

有研究表明，氮和碳具有相似的原子半径，避免掺杂引起的晶格错配，便于掺杂过程的进行，并且氮的加入能够改变相邻碳原子周围的电荷分布，产生更多有利于氧气吸附和解离的活性位点，促进电子转移。并且材料中的高氮含量，是呈现出优异电化学性能的关键之一。过渡金属元素的加入与氮元素起到协同作用，进一步提高材料催化活性。然而，与Pt基材料相比，碳基材料虽成本较低，但制备工艺较为复杂，产量较低，限制了其商业化应用。

生物质作为地球中最广泛存在的物质，具有绿色环保、经济可行、可持续等特点，并且生物质由多种有机结构单元组成，便于制备杂原子掺杂碳材料。将落花收集起来，转化为新型碳材料，实现了除观赏性外的其他附加价值。利用生物质开发低成本碳材料催化剂来替代商业Pt/C催化剂，是一条价格低廉，制备过程简单，生态环保的路径。

发明内容

本发明旨在提供一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法及其应用，本发明方法简便环保，制备的生物质氮掺杂碳管材料具有优异的电催化氧还原性能。

本发明提供了一种过渡金属催生生物质氮掺杂碳管氧还原催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将飘落的梅花收集、清洗、干燥过夜后，在氩气氛围中，升温至200℃并保温3h，自然冷却后得到预碳化的生物质碳；

(2)将步骤(1)得到的预碳化的生物质碳与氯化铁浸泡在异丙醇溶液中，常温搅拌6～12h，蒸干；

(3)将步骤(2)所得样品与三聚氰胺均匀混合，在氩气氛围中，热解温度为800～1000℃，保温2h，冷却后得到完全碳化的生物质碳管材料。

优选的，步骤(1)中，干燥温度为60℃；升温速率为5℃/min。

步骤(2)中，所述的氯化铁与预碳化的生物质碳质量比为1：1～6；优选的，氯化铁与预碳化的生物质碳质量比为1：3。

优选的，步骤(3)中，所述的样品与三聚氰胺质量比为1：4。

优选的，步骤(2)中，所述蒸干温度为60℃。

优选的，步骤(3)中，所述的氩气氛围中，热解温度为900℃。

优选的，步骤(3)中，所述的氩气氛围中，升温速率为5℃/min；冷却时，高于500℃时，降温速率为5℃/min，500℃以下，自然冷却。