[发明专利]一种木质素-金属复合物衍生的催化剂制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种木质素‑金属复合物衍生的催化剂制备方法和应用，包括如下步骤：(1)将胺基化木质素与过渡金属源均匀混合于溶剂中，超声分散下进行水热反应，然后洗涤、离心、干燥后得到胺基化木质素‑过渡金属配合物；(2)将所述胺基化木质素‑过渡金属配合物进行炭化处理，然后经洗涤、干燥后制得木质素‑金属复合物衍生的催化剂，所述催化剂为负载金属的原位氮掺杂碳催化材料。本发明将具有配位功能的胺基引入木质素结构中，进一步螯合过渡金属，再经热解之后得到负载有金属的原位氮掺杂碳基催化材料，该材料中金属分散均匀、粒径小、负载量高，在ORR和OER反应中具有优异的催化活性和良好的稳定性。

技术领域

本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种木质素-金属复合物衍生的催化剂制备方法和应用。

背景技术

传统化石燃料的枯竭及燃烧带来的环境污染的现状，促使人们对新能源的开发及应用的重视程度日益加深。氢能作为一种清洁无污染的能源逐渐走进人们视野。利用电化学反应产生、储存和利用氢能，比如燃料电池、金属空气电池以及电解水反应。在反应过程中，氧还原反应(ORR)但和氧析出反应(OER)的进行，由于高过电位以及电化学反应缓慢的动力学过程，因此需要催化剂来促进反映进行。就目前现状而言，贵金属(如Pt，Ir和Ru)基催化剂被认为是最高效的电催化剂。但是它们较为稀缺、且成本高和耐用性差，比如在燃料电池中使用甲醇作为燃料时，由于甲醇交叉效应的存在，甲醇蒸汽会渗透到阴极室，毒害Pt电催化剂，从而大大降低电催化剂的使用寿命。因此，研究具备低成本、高活性、高稳定性等特点的电催化剂，对氢能的产业化具有重要的意义。

目前，国内外围绕如何提高氢能利用效率，已研究出许多用于电化学反应的非贵金属催化剂潜在替代材料，包括Pt基催化剂、过渡金属氧化物、金属硫化物、碳基催化剂等。其中碳基催化剂由于自然界储量丰富同时碳源种类多样，在应用上体现出十足的潜力。通过非金属元素掺杂以及与过渡金属(如Fe、Co、Ni等)结合的方式，制备的多功能电催化剂具有良好的电化学性能和稳定性。石墨化碳中碳原子主要以sp²杂化形式存在，化学稳定强，活性低，利用非金属杂原子掺杂，比如氮掺杂碳，可以在杂原子附近产生碳活性中心，有利于提高催化性能。然而，利用金属、含氮前驱体的混合物和碳源热解容易出现团聚现象，无法充分暴露活性位点和调控金属粒径，从而影响电化学性能因此，在碳基催化剂的制备策略中，如何做到结构可控是影响催化剂性能的关键。

发明内容

为了提高碳基催化剂点催化性能，而提供一种木质素-金属复合物衍生的催化剂制备方法和应用，本发明将具有配位功能的胺基引入木质素结构中，进一步螯合过渡金属，再经热解之后得到负载有金属的原位氮掺杂碳基催化材料，该材料中金属分散均匀、粒径小、负载量高，在ORR和OER反应中具有优异的催化活性和良好的稳定性。

为了达到以上目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种木质素-金属复合物衍生的催化剂制备方法，包括如下步骤：

(1)将胺基化木质素与过渡金属源均匀混合于溶剂中，超声分散后于120-180℃下进行水热反应，然后洗涤、离心、干燥后得到胺基化木质素-过渡金属配合物；

(2)将所述胺基化木质素-过渡金属配合物于600-800℃下进行炭化处理，然后经洗涤、干燥后制得木质素-金属复合物衍生的催化剂，所述催化剂为负载金属的原位氮掺杂碳催化材料。

进一步地，步骤(1)中所述胺基化木质素的制备方法为：将木质素加入到极性溶剂中搅拌均匀，然后加入拔氢剂进行拔氢反应，再逐滴加入具有氨基保护基的卤化氨基酯类化合物，进行接枝反应，待所述接枝反应完全后加入醇类溶剂淬灭，离心，采用酸溶剂进行氨基保护基的脱除反应，冷冻干燥后得到胺基化木质素。