[发明专利]一种具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂的制备方法，将碳前驱体黄莺植株、双模板氯化锌和氢氧化锌混合均匀得到物料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24 h，再用高纯水洗涤至滤液为中性，然后干燥得到目标产物具有全pH范围的氮、硫双掺杂分级孔碳催化剂，该氮、硫双掺杂分级孔碳催化剂中的N、S总含量分别为2.25 at.%。本发明操作简单，成本低廉，环境友好，制备的氮、硫双掺杂分级孔碳催化剂具有优异的全pH范围ORR催化活性、稳定性和抗甲醇性能。

技术领域

本发明属于锌-空电池或燃料电池阴极催化剂的制备技术领域，具体涉及一种具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂的制备方法。

背景技术

一系列的环境问题如化石燃料加速枯竭迫使我们寻求可再生能源存储和转换装置。作为可持续发展和碳中和背景下的新型能源转换装置，燃料电池和锌空气电池在未来的能量转换阶段发挥着非常重要的作用。然而，许多技术问题阻碍了它们的广泛应用，其中之一就是缺乏适合ORR的双功能阴极催化剂。目前，Pt基和IrO₂催化剂仍被认为是最好的ORR电催化剂，因为它们具有优异的活性和四电子还原途径的高选择性。值得注意的是，它们的低储量和高成本在一定程度上阻碍了燃料电池和锌空气电池的广泛应用。因此，寻找稳定、廉价和高效的ORR非贵金属催化剂对于促进这些清洁能源装置的实现至关重要。

对于燃料电池而言，其高效率的关键在于有合适的用于氧还原反应（ORR）的催化剂。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，目前仍被认为是商用的ORR和OER电催化剂。然而，高昂的成本大大阻碍了它们在燃料电池和锌空气电池中的广泛应用。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它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合成工艺简单且成本较为低廉的具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂的制备方法，该方法以黄莺植株为碳前驱体，氯化锌和氢氧化锌为双模板，最终合成了一种具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种具有全pH范围的氮、硫双掺杂碳催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将碳前驱体黄莺植株粉末与双模板剂氯化锌和氢氧化锌双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60 min升温至300 ℃并于300 ℃保持60 min，再以10 ℃/min的升温速率升温至900 ℃并于900 ℃保持120 min，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24 h，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12 h得到目标产物具有全pH范围的氮、硫双掺杂分级孔碳催化剂；

该具有全pH范围的氮、硫双掺杂分级孔碳催化剂中N、S总含量分别为2.25 at.%，具有优异的全pH范围ORR催化活性、稳定性以及抗甲醇性能。

进一步优选，步骤S1中所述碳前驱体黄莺植株粉末与双模板剂氯化锌和氢氧化锌的投料质量比为1:0.682:0.497。

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所述酸性溶液为浓度2 M的盐酸溶液。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

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。