[发明专利]一种氨氧化催化剂的多孔碳材料的制备

说明书

本申请公开了一种用作氨氧化催化剂的多孔非金属碳材料的简易制备方法，依次包括如下步骤：S1制备离子液体前驱体；S2利用离子液体制备富含孔道的掺杂碳材料；S3碳材料的循环伏安法氨氧化催化测试。本发明的优点在于简单而有效的合成了多孔道的碳材料，所制备的碳材料密度小，表面积大，孔结构丰富，且氨氧化催化性能较高。

技术领域

本申请涉及新能源技术领域，特别是一种多孔非金属催化剂的制备方法。

背景技术

人类对能源的消耗日益增加，导致化石燃料消耗寻迅速，并带来能源和环境问题。为解决上述问题，人来开始注意新能源的开发和利用。其中氢气由于具有清洁、高能能量密度等优势近年来受到广泛关注，但是氢气在生产、存储和运输阶段均面临着很大的困难和挑战，目前尚难大规模应用。最近，由于价格低廉、易于液化等特点，因此氨气的存储和运输相对容易，被认为是一种氢气的优良载体受到广泛关注 （ACS Catal. 2020, 10, 3945-3957）。除作为氢气载体外，氨气还可以作为直接氨燃料电池的燃料，在氧气发生氧化，给出电子，对外做功。然而直接氨燃料电池并未获得大规模应用，主要原因之一是NH₃氧化过程缓慢，需要贵金属如Pt/Ir等作为催化剂，而贵金属催化剂高昂正本严重限制了催化剂和直接氨燃料电池的推广。因此，开发非贵金属NH₃氧化催化剂是直接氨燃料电池研究领域的一项重要任务。

近年来，掺杂碳材料由于价格低廉、化学稳定性高，作为一种非金属催化剂在氧还原、产氧反应的催化中受到广泛关注。由于电负性的差异，掺入碳材料的杂原子会导致碳材料电子云分布发生便宜，致使局部区域电子云密度偏低，易于接收NH₃给出的电子，并通过碳材料的电子通路导出，因此很可能是一种性能优良的NH₃氧化催化剂。但是目前氨氧化的无金属催化剂研究相对较少。本发明申请人基于长期的离子液体的研究和上述催化机理的研究，认为很可能利用离子液体富含杂原子，结构可调，种类丰富、不易挥发等优势的优势，利用离子为前驱体制备无金属氨气氧化的催化剂。根据上述设想，申请人利用易于实行的方法和步骤，合成几种常见离子液体并以这些离子液体为前驱体，制备了掺氮、氮磷共掺，氮硫共掺的掺杂碳材料。利用循环伏安法研究了其氨气氧化的催化性能，结果显示制备的碳材料具有比较优良的氮气氧化催化性能。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种多孔掺杂碳材料的制备方法，以富含杂元素的离子液体为前驱体，通过煅烧，简单有效地制备了多孔碳材料。利用杂元素和碳元素电负性不同造成的吸附方式改变从而呈现催化性能的特性制备了氨气氧化的催化剂。

本申请实施例公开了一种多孔掺杂碳材料的制备方法，包括如下步骤：

S1 离子液体前驱体：将合成离子液体的原料A缓慢滴加到原料B，一般为含有目标阴离子的算，滴加过程中冰浴中搅拌，滴加完毕后升温到50℃以上，再持续搅拌2-4小时；获得淡黄色粘稠液体，作为催化剂前驱体。

S2制备催化剂粉末：将前驱体离子液体倒入磁舟后，置于管式炉中，氮气保护下在600-1000℃之间，煅烧碳化1hr. 保温1 hr后，管式炉自然降温到室温，获得蓬松的黑色碳材料；

S3催化剂性能表征：将上述碳粉末与Nafion溶液、乙醇按照一定比例混合后，超声分散制备得到催化剂浆液。将浆液滴加到玻璃碳电极上，自然状态下干燥2小时后，采用循环伏安扫描，根据氧化峰的峰位和强度判断其氮气氧化催化能力。

优选的，在上述的多孔掺杂碳材料的制备方法中，所述离子液体为乙烯基咪唑离子液体、甲基咪唑离子液体和二甲基吡啶中的一种。

优选的，在上述的多孔掺杂碳材料的制备方法中，所述步骤S1中，离子液体的阴离子为硫酸根，硫酸氢根、硝酸根，磷酸二氢根的一种或多种。

优选的，在上述的多孔掺杂碳材料的制备方法中，所述步骤S3中，制备工作电极时：与粘接剂以1:1~1:5范围内混合并超声分散，滴加到玻碳电极制备工作电极。