[发明专利]一种鱼鳞基掺杂多孔碳材料的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种鱼鳞基掺杂多孔碳材料的制备方法及应用，包括以下操作步骤：将鱼鳞破碎成粉末；将得到的鱼鳞粉末加入碱液中浸出，搅拌过滤得到滤渣a和滤液a；将得到的滤渣a加入酸液中浸出，搅拌过滤得到滤液b和滤渣b；滤液a和滤液b进行混合，得到白色悬浊液，经冷冻干燥处理得到干凝胶；将得到的干凝胶在惰性气氛下进行焙烧，自然冷却至室温；将热解熟料经稀酸浸出处理后，用去离子水和乙醇多次洗涤，干燥，得到黑色的鱼鳞基掺杂多孔碳材料。本技术方案用于解决现有鱼鳞基掺杂掺多孔碳材料制备工序复杂、周期较长及微观结构设计相对不可控等问题。

技术领域

本发明属于锌空气电池技术领域，具体涉及一种鱼鳞基掺杂多孔碳材料的制备方法及应用。

背景技术

全球能源危机与环境污染问题的日益加剧，使得可持续清洁新能源和各种储能技术的开发利用势在必行。在诸多储能技术中，可充电锌空气电池具有成本低、理论能量密度高、安全环保等优势，被视为最有发展潜力储能装置之一，在低速电汽车、可穿戴装备和智能电网等领域具有巨大的应用潜力，也是当前可持续清洁新能源的研究热点。

然而，目前可充电锌空气电池的商业化应用发展迟缓，制约其发展的关键问题是阴极涉及的ORR/OER动力学缓慢，导致能量转化效率和循环寿命较差。研究结果表明，通过构筑高效稳定的电催化剂，加快ORR/OER反应动力学，能有效改善电池性能。常用的贵金属基催化剂，如Pt/C、Ir、RuO₂等，表现出良好的ORR或OER催化活性，但由于其资源稀缺、价格昂贵、稳定性差，且催化性能单一，难以长期大规模应用。因此，开发高效稳定的非贵金属基双功能电催化剂成为锌空气电池领域的研究重点。

在众多非贵金属催化剂，掺杂多孔碳材料因其来源广泛、高比表面积、良好导电性和催化活性，成为可充电锌空气电池最具潜力的电催化剂之一，受到诸多学者的关注。然而传统掺杂多孔碳材料的制备需要通过模板剂、活化工艺来调控孔结构或外加杂原子源(聚丙烯腈，聚吡咯，植酸)来优化掺杂结构，同时制备工艺相对复杂，对环境不友好，产物结构也相对不可控。另外高温活化过程主要集中在材料表面，会消除部分杂原子，最终影响材料的电催化性能。一些生物质废弃物，如鱼鳞，仅有少部分被用于加工成饲料鱼粉、提取鱼油、生产皮革等，绝大部分是以固体废物形式直接丢弃,造成了严重的资源浪费与环境污染。而鱼鳞具有独特的组分特性，可以作为理想的掺杂多孔碳材料的前驱体。鱼鳞中丰富的胶原蛋白和壳聚糖组分含有的N、S元素可以实现生物质碳材料的N、S杂原子共掺杂；天然的羟基磷灰石纳米晶体组分可以作为硬模板来调控孔结构，进而实现杂原子掺杂和孔结构的同步构筑，改善材料的电催化性能，但如何实现鱼鳞中钙盐组分的均匀分布仍是一个问题。

目前，中国专利CN109354004B公布了一种利用鱼鳞制备分级多孔碳材料的方法。首先将鱼鳞预碳化后，与含氮试剂混合通过水热处理，得到氮掺杂的样品，后领用固体氢氧化钾进行化学造孔，得到分级多孔碳材料。该工艺流程复杂，周期较长，同时水热条件相对苛刻，大规模制备受到限制。此外，中国专利CN102107863B首先通过鱼鳞预碳化，再通过碱性活化剂(氢氧化钾、氢氧化钠等)进行化学刻蚀，大量碱性物质的使用会消除部分杂原子，同时热解残留的钙组分也会影响材料孔结构的构筑。其他相关公开专利如CN202111126764.1、CN113546664B、CN103991870B制备的鱼鳞基碳材料同样是利用外加大量酸碱活化剂和杂原子调节剂来改善材料的孔结构和杂原子掺杂特性，对环境不友好，也缺乏充分利用鱼鳞材料组分(羟基磷灰石)来实现杂原子掺杂和分级多孔结构的同步构筑。基于此，开发一种短流程、绿色环保、结构可控的鱼鳞基掺杂多孔碳材料制备方法，并作为可充电二次锌空气电池高效空气电极催化剂，对推动锌空气电池产业发展和拓展鱼鳞等鱼类副产物的高值利用新途径具有重要的现实意义。

发明内容

针对现有鱼鳞基掺杂掺多孔碳材料制备工序复杂、周期较长及微观结构设计相对不可控等问题，本发明提供了一种鱼鳞基掺杂多孔碳材料的制备方法，保证该方法制备的鱼鳞基掺杂掺多孔碳材料可以作为一种高效的可充电锌空气电池空气电极催化剂。