[发明专利]一种生物炭基硬质泡沫碳、其制备方法和在电催化中的应用

说明书

本发明提供了一种生物炭基硬质泡沫碳、其制备方法和在电催化中的应用，该泡沫碳的制备方法包括：S1、提供壳聚糖气凝胶；S2、将所述壳聚糖气凝胶与酚醛类树脂复合，之后在惰性气体氛围中进行热解，得到含玻璃碳的生物炭基硬质泡沫碳。本发明制备的硬质泡沫碳具有大比表面积和较高的机械强度，合成成本低，利于作为电极材料实现对5‑羟甲基糠醛的高效率的选择性催化氧化。所优选的层状双金属氢氧化物催化剂表现出对5‑羟甲基糠醛的优异电催化氧化性能，能够快速、高选择性地完成目标产物的氧化。本发明实施例合成的催化剂电催化氧化5‑羟甲基糠醛的反应条件温和，在常温常压的温和条件下，短时间内即可完成对5‑羟甲基糠醛的选择性氧化。

技术领域

本发明属于化工材料技术领域和能源环保技术领域，具体涉及一种生物炭基硬质泡沫碳、其制备方法和在电催化中的应用，例如负载形成层状双金属氢氧化物催化剂，并电催化氧化5-羟基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸的方法。

背景技术

随着传统化石能源的过度开采，化石能源的储量不断紧缩，能源危机和环境问题在当今世界愈发严峻。因此，研究可持续、可再生的新型能源以代替传统的非可再生能源的策略对人类来说迫在眉睫。作为一种可再生的非化石燃料碳源，生物质是一种非常有开发价值的化石能源替代品，其在生物质能源转化方面也逐渐受到重视。

5-羟甲基糠醛(5-Hydroxymethylfurfural)是一种重要的平台化合物，可作为生物质类碳水化合物代替石油工业有机化合物的中间单体之一；将其加氢或氧化后可以生成生物燃油和一系列衍生化学产品，这些衍生化学产品能作为目前大量消耗的石油化工产品的部分替代品。比如，5-羟甲基糠醛的氧化产物2,5-呋喃二甲酸(2,5-Furandicarboxylicacid)是美国能源部列为十二种重要生物质平台化合物之一，可作为单体制备多种生物质基聚合物，在有机合成和生物制药方面有应用前景。

目前，传统催化氧化5-羟甲基糠醛制备2,5-呋喃二甲酸的方法中，主要使用的催化剂为铂(Pt)、钯(Pd)和金(Au)等贵金属催化剂；也有通过碳电极材料催化制备2,5-呋喃二甲酸。以上现有方法存在一定的局限性，主要表现在贵金属催化剂成本高或者反应需要高温高压的条件；以及传统的碳纸碳毡等多孔碳电极材料机械强度低，循环使用寿命低，而传统的石墨、玻碳电极材料比表面积小，制造成本高。因此，需要研发出新的催化氧化技术，以克服5-羟甲基糠醛催化氧化中催化成本高昂等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种生物炭基硬质泡沫碳、其制备方法和在电催化中的应用，本发明制备的硬质泡沫碳具有大比表面积和较高的机械强度，合成成本低，利于作为电极材料实现对5-羟甲基糠醛的高效率的选择性催化氧化，降低催化成本。

本发明提供一种生物炭基硬质泡沫碳的制备方法，包括以下步骤：

S1、提供壳聚糖气凝胶；

S2、将所述壳聚糖气凝胶与酚醛类树脂复合，之后在惰性气体氛围中进行热解，得到含玻璃碳的生物炭基硬质泡沫碳。

在本发明的实施例中，所述壳聚糖气凝胶由壳聚糖经过溶胶-凝胶、冷冻干燥制得；

所述壳聚糖气凝胶与酚醛类树脂复合具体包括：取酚类、甲醛和碱性催化剂溶解于水中，得到含酚醛类树脂的溶液，并使其浸透所述壳聚糖气凝胶；将浸透的壳聚糖气凝胶于100℃以下进行加热。

优选地，所述加热完成后，将复合的前驱体物质在惰性气体氛围中于900～1000℃加热进行热解，得到含玻璃碳的生物炭基硬质泡沫碳。

本发明提供一种生物炭基硬质泡沫碳，由前文所述的制备方法制备得到，其表面碳材料包含玻璃碳形式。