[发明专利]一种银耳制备碳基过渡金属纳米复合催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种利用银耳合成生物质碳纳米复合材料的方法及其在能源催化领域的应用。本发明首次利用银耳作为前驱体，通过先浸渍金属盐水溶液中再浸渍KOH溶液，真空冷冻干燥后在惰性氛围下热解的方式得到碳基过渡金属纳米复合材料X/NPC‑Tfu。制备的生物质碳纳米复合材料拥有约0.3wt％的高磷含量，形貌为厚度2～3nm的超薄纳米片，比表面积高于300m²/g，负载的金属纳米颗粒高度均匀分布，平均粒径小于10nm。该碳基纳米复合催化剂的制备方法简单、成本较低，且可以大批量合成，在能源催化领域具有高度潜在的工业应用价值，可用于电催化水分解，氧还原反应，二氧化碳还原反应以及多种有机催化反应。

技术领域

本发明涉及纳米材料制备及能源催化领域，具体涉及生物质衍生的碳基纳米复合材料的合成及其作为电催化水分解催化剂的应用。

背景技术

纳米材料具有超高的比表面积和明显的尺寸效应，可以为催化反应提供充足的表面反应活性位点，同时有利于反应过程中反应物的吸附以及中间产物和终产物的脱附，因此被广泛应用于催化领域中，如热催化、电催化、光催化以及光电催化等领域。碳基纳米材料由于具有成本较低、原材料来源丰富易得、良好的导电性、大的比表面积以及较稳定的化学性能等优点一直是当前基础与应用研究的热点。21世纪以来，大部分碳基材料的合成过程中均以化石燃料如甲烷、沥青和乙醇等为原材料，并且合成过程所需要的实验条件或实验设备较为苛刻或昂贵(如：化学气相沉积法、电弧放电技术等)，或者在合成碳基材料过程中加入一些有毒有害试剂，这些方法所使用的原料、试剂成本相对较高且对环境有害，不仅是非环境友好型，不遵循可持续发展观念，而且极大的消耗了一些资源。

近年来，由于生物质具有丰富的碳含量和独特的微观结构，开发和利用生物质制备碳基复合材料的研究受到越来越多的关注。将生物质碳基复合材料应用于能源、环境和催化等领域可以使生物质资源得到有效的利用，同时可以提高生物质自身的经济附加值。相比于传统的碳材料制备方法，直接用生物质来制备纳米催化剂有以下优点：资源丰富、成本低廉、合成方法绿色简便，有利于大规模生产。在制备生物质碳的过程中，生物质原有的特殊微观结构可以保留下来，同时，用生物质合成碳材料时会原位引入氮磷等杂原子，能有效地调控碳材料本身的电子结构及其理化特性。因此，运用新技术、新方法，利用交叉学科的优势，通过筛选合适的生物质作为前驱体，制备出具有实用价值的生物质衍生的碳基纳米复合催化剂，降低催化剂的成本，对促进能源催化领域的工业化生产具有无与伦比的现实意义。

纳米材料的尺寸越小，材料的分散度越高，其催化活性往往越高。而目前利用生物质衍生的碳基金属复合材料往往负载的金属颗粒尺寸较大(大于50nm)且分布不够均匀，这直接影响材料的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用银耳合成生物质衍生的碳基过渡金属纳米复合材料的方法。

本发明的目的通过以下技术方案予以实现：

一种利用银耳合成碳基过渡金属纳米复合材料的方法，包括以下步骤，将干燥的银耳放入0.1至0.5mol/L的金属盐溶液中浸泡1至2天，使银耳富集金属离子；富集好金属离子的银耳表面清洗晾干后转入0.1至0.5mol/L的氢氧化钾溶液中浸泡1至2天后放入液氮中快速冷冻，转入真空冷冻干燥机1至2天进行冷冻干燥；最后将冻干的样品在管式炉惰性气氛中以5℃/min的升温速率升至800～1000℃，恒温2h后自然冷却到室温，热解退火后获得生物质碳负载的分布均匀、尺寸较小的金属复合纳米材料X/NPC-Tfu(X＝Fe,Co，Ni，Cu，Mo等)。

优选地，所述金属盐溶液所涉及的金属盐种类包含硝酸金属盐、醋酸金属盐或氯化金属盐。

优选地，所述金属盐溶液所涉及的金属种类包含Fe、Co、Ni、Cu或Mo过渡金属。

本发明另一目的在于提供上述方法制备的碳基过渡金属纳米复合材料在能源催化领域的应用；包括应用于水分解，氧还原反应(ORR)，二氧化碳还原反应(CO₂RR)以及多种有机催化反应。