[发明专利]一种氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂的软硬模板制备方法

说明书

本发明公开了一种氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂的软硬模板制备方法，将碳前驱体尖芋尾叶粉、双模板氯化锌和二氧化硅混合均匀得到物料A；将物料A经高温热解后得到物料B；将物料B转移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高纯水洗涤至滤液为中性，然后置于110℃鼓风干燥箱中干燥12h得到目标产物具有ORR/OER双功能活性的氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂。本发明操作简单，成本低廉，环境友好，制备的目标碳催化剂具有优异的ORR/OER双功能活性、稳定性和抗甲醇性能。

技术领域

本发明属于杂原子掺杂多孔碳氧还原（ORR）和氧析出（OER）双功能催化剂的合成技术领域，具体涉及一种锌-空电池或燃料电池阴极催化剂的具有ORR/OER双功能活性的氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂。

背景技术

目前我国面临着化石燃料燃烧引起的环境污染和能源过度使用的能源危机，为了减少甚至达到零污染的理想，使得我们开发使用可再生能源和能量储存转换装置。最常见的新型能源转换装置有氢氧燃料电池和金属-空（锌-空、铝-空以及镁-空）电池，其中锌-空电池不采用铅、汞、镉等重有毒的重金属，因此其对环境的污染较小，同时不存在爆炸危险，安全可靠。其次，成本低，蓄能大。原材料主要是空气中的氧及价格低廉的锌，故而材料易得。总的来说其容量大、比能量高、放电曲线平稳、自放电少、储存寿命好、生产成本低、价格低廉以及环保无污染等优势被广泛的研究。

对于锌-空电池而言，其高效率的关键在于有合适的用于放电过程中的氧还原反应（ORR）和充电过程中析氧反应（OER）的双功能催化剂。随着我国对能源转换以及储能装置的低成本，高环保，大规模的需求，且商业化的催化剂价格昂贵、储量稀少、稳定性差以及抗毒性差等缺点，即Pt基和Ir、Ru以及金属氧化物催化剂由于其出色的活性和较高的四电子还原途径选择性，仍被认为是商用的ORR和OER电催化剂。然而，高昂的成本大大阻碍了它们在电池中的广泛应用。因此，寻找稳定、廉价和高效的ORR和OER的非Pt和非Ir、Ru及其金属氧化物以及其他贵金属及氧化物催化剂对于促进实现这些清洁能源设备大规模应用至关重要。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单且成本低廉的氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂的软硬模板制备方法，该方法通过以尖芋尾叶为碳前驱体，氯化锌和二氧化硅为软硬模板，合成了一种具有ORR/OER双功能活性的氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种氮、硫双掺杂多级孔碳催化剂的软硬模板制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将碳前驱体尖芋尾叶粉末、氯化锌和二氧化硅软硬模板充分混合均匀得到物料A；

步骤S2：将物料A转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在惰性气体保护下，由25℃加热60min升温至300℃并于300℃保持60min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃并于900℃保持120min，然后自然冷却至室温得到物料B；

步骤S3：将物料B转移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高纯水洗涤至滤液为中性，然后置于110℃鼓风干燥箱中干燥12h得到目标产物具有ORR/OER双功能活性的氮、硫双掺杂碳催化剂。

进一步优选，步骤S1中所述碳前驱体尖芋尾叶粉末、氯化锌和二氧化硅软硬模板的投料质量比为1:0.618:0.1。

进一步优选，步骤S2中所述惰性气体为氮气或氩气中的一种或多种。

进一步优选，步骤S3所述酸性溶液为质量分数为20w%的氢氟酸溶液。

进一步优选，步骤S3制得的氮、硫双掺杂碳催化剂中N、S含量分别为0.7at.%、0.15at.%，该氮硫双掺杂碳催化剂具有优异的ORR/OER双功能活性、稳定性以及抗甲醇性能。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

1、本发明通过高温热解过程诱导生物质中丰富的微量元素N、S原位到碳骨架中促进更多活性位点的形成，增强了所制备掺杂碳材料的电化学性能。