[发明专利]一种富氮生物油基多孔炭及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种富氮生物油基多孔炭及其制备方法与应用；其制备方法包括如下步骤：以生物质及含氮化合物为原料，通过共热解制备富氮生物油；以富氮生物油作为碳、氮前驱体，金属盐为模板剂，制成前驱体与模板剂的均匀混合物；在高温下对混合物进行炭化后得到炭化产物；对炭化产物进行酸洗，并用去离子水洗涤至中性，经抽滤和烘干后得到富氮生物油基多孔炭；本发明以富氮生物油作为前驱体，具有低灰分、高氮含量的优势，在热解过程中无需外加氮源，比固态生物质更适用于模板法，所得多孔炭具有孔结构规整、孔径集中、表面富含氮、氧官能团的特点，表现出良好的氧还原反应电催化性能。

技术领域

本发明属于电化学与新能源材料制备领域，涉及一种富氮生物油基多孔炭及其制备方法和应用。

背景技术

氧还原反应(ORR)是燃料电池、金属-空气电池等绿色能源转换装中阴极的主要反应，其缓慢的动力学过程致使整体效率低下，必须使用阴极催化剂改善这个问题。目前商业常用的铂碳(Pt/C)催化剂具有最优催化活性，但贵金属类催化剂存在成本高、资源稀缺、稳定性差、抗甲醇毒性差等问题，其大规模推广使用仍然面临困境。氮掺杂多孔炭表现出优异的ORR催化活性和高于Pt/C催化剂的稳定性和抗甲醇毒性，被认为是最具发展前景的非金属催化剂之一。

生物质是自然界中唯一的可再生碳源，其来源广泛、成本低廉、绿色环保，常被用作碳材料的原料。氮掺杂和造孔是高温热解制炭的常用改性方法，通常需要外加氮源，工艺较复杂。而所得氮掺杂多孔炭的孔径分布不集中、结构不规整，影响了最终电化学催化性能。生物油是生物质热化学转化过程中的主要产物，其中碳、氧含量高，灰分少，并且富含芳香族产物，极易缩聚碳化。此外，生物油的液态性质使其比固体原料更适用于模板法，从而得到孔结构更加规整的多孔炭。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术中氮掺杂多孔炭存在的孔径分布不集中、结构不规整，电化学催化性能不佳等技术问题”提供了一种富氮生物油基多孔炭及其制备方法，该方法使用生物质与含氮原料共热解所得富氮生物油为碳、氮前驱体，无需外加氮源，简化了制备过程。所得多孔炭的孔结构规整、孔径集中，石墨化程度高，且表面富含氮、氧官能团。可以在电化学催化氧还原反应方面广泛应用。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：一种富氮生物油基多孔炭，其特征在于以生物质和含氮化合物共热解所得富氮生物油为前驱体，以金属盐为模板剂，通过一步炭化制备多孔炭。

进一步的，一种富氮生物油基多孔炭的制备方法，包括如下步骤：

(1)富氮生物油的制备：将生物质和含氮原料混合均匀，在惰性气体氛围下共热解得到富氮生物油；

(2)富氮生物油与模板剂混合：取步骤(1)中的富氮生物油，加入模板剂和无水乙醇后，在加热条件下搅拌均匀，待冷却至室温后得到富氮生物油与模板剂混合物；

(3)富氮生物油基多孔炭的制备：在惰性气体氛围下热解步骤(2)的混合物，待升温后保持恒温，反应结束后自然冷却至室温，得到炭化产物；

(4)对步骤(3)中的炭化产物进行酸洗处理，随后使用去离子水洗涤至中性，经过滤和干燥后得到最终产物。

进一步的，所述步骤(1)中的生物质为松木、稻壳、椰壳、核桃壳、花生壳、秸秆、甘蔗渣中的至少一种，含氮原料为废弃尼龙(聚酰胺)、尿素、三聚氰胺中的至少一种。

进一步的，所述步骤(1)中生物质与含氮原料质量比为0.5:1-2:1。

进一步的，所述步骤(1)热解条件为：升温速率为1-50℃/min，热解温度为500-800℃，保温时间为1-3h，气体流速为10-500mL/min。

进一步的，所述步骤(2)中模板剂为氯化锌、乙酸镁、氢氧化镁、氯化钾、氯化钠、碳酸钾中的至少一种。

进一步的，所述步骤(2)中富氮生物油与模板剂质量比为1:2-1:5。