[发明专利]一种废旧轮胎热解碳催化剂、制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种废旧轮胎热解碳催化剂、制备方法及应用，以破碎后的废旧轮胎颗粒为原料和氯化铵充分混合，然后在惰性气氛下进行程序升温热处理，再经HCl‑HF混酸处理和二次热处理后制得热解碳催化剂。将其作为阴极材料应用于电解水制氢的析氢反应，表现出超高的催化性能，在还原电位为‑0.55～‑0.1V(vs.RHE)范围内，电流密度最高达350mA·cmsupgt;‑2/supgt;，当电流密度为10和100mA·cmsupgt;‑2/supgt;时，过电位仅为330和440mV。该方法所需原料来源广泛且价格廉价，制备工艺简单，反应条件易于控制，反应性能优异，提高废旧轮胎热解碳的附加值，符合节能减排的战略要求，适合批量化生产。

技术领域

本发明属于新能源材料技术和电化学催化领域，涉及电解水析氢反应，具体涉及一种高效电解水析氢反应催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

随着传统化石燃料消耗的不断增加，能源危机和环境污染问题日益加剧，发展新型清洁的可再生能源和高效能源制备技术迫在眉睫。

近年来，氢能由于其能量密度高、环境友好无污染等成为二十一世纪最具发展潜力的理想替代能源，受到国内外研究者的广泛关注，氢气的制备也成为了当今研究的热点。在各种制氢技术当中，电催化分解水制氢技术可再生性，产品纯度高，无污染等优点，被认为是最具应用前景的能量转换方式之一，可同时获得高品质氢气并实现能量的高效转化。然而，该电解过程往往存在过电位高、能耗高、电流密度小等问题，因此，开发一种高效且高稳定性的电催化剂是该过程研究的关键。

以碳基材料为主的非金属催化剂，由于其独特的物理结构和可控化学活性在电化学领域表现出广阔的应用前景。通过引入可控杂原子或基团可有效调节碳催化剂的电子结构，进而改善催化剂的催化性能。专利CN 111569855A采用共沉淀法将沸石咪唑酯(ZIF-8)与富勒烯C60进行复合，成功制备了ZIF-8/C60复合物，经1000℃热解后获得了ZIF-8/C60-C多孔碳非金属催化剂，该催化剂在电流密度为10mA·cm^-2时，过电位为420mV。文献[J.Yu,etal.ACS Appl.Energy Mater.2(2019)2645-2653.]以磷酸二氢铵和三聚氰胺为前驱体，高温热解后制备出氮磷共掺杂石墨碳(NPGC)催化剂，该催化剂在电流密度为10mA·cm^-2时，过电位高达530mV。与以上催化剂相比，本专利介绍的非金属碳催化剂过电位更小且测试电压范围内电流密度更高，具有明显的优势。

鉴于此，本专利介绍了一种原料来源广泛且价格廉价，制备工艺简单，反应条件易于控制，反应性能优异，同时易于工业化生产的废旧轮胎热解碳高效析氢电催化剂的制备方法，在电流密度为10mA·cm^-2和100mA·cm^-2时，过电位仅为330和440mV，且该催化剂还表现出优异的催化稳定性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种废旧轮胎热解碳高效析氢电催化剂及其制备方法和应用，该催化剂具有成本低廉、性能优异等特点，通过一步热解法即可制备出所需电催化剂，制备过程简单，反应条件易于控制，不仅有效回收了废旧资源，而且大大提高了废旧轮胎热解碳的附加值，具有很好的理论和实际应用价值。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种废旧轮胎热解碳催化剂的制备方法，包括以下步骤：将破碎后的废旧轮胎颗粒和氯化铵充分混合，置于管式炉中，在氮气或惰性气氛下进行程序升温热处理，HCl-HF混酸处理去除残留的Si、Al、Ca等杂质，然后进行二次热处理后制得热解碳催化剂。

进一步，所述废旧轮胎颗粒和氯化铵的质量比为1:4～1:10，优选为1:6～1:10。

进一步，所述惰性气氛为氩气或者氦气。