模板法制备高比表面生物质碳材料的方法技术

本发明专利技术提供了一种模板法制备高比表面生物质碳材料的方法，是将生物质材料洗净、切碎、自然风干后，在氮气保护500～1000℃下一次碳化2～3h，研磨粉碎后依次用硝酸溶液、FeCl3溶液进行活化处理，洗涤至中性，干燥；加入氧化物作为模板，搅拌反应15～30min，干燥后球磨；然后在氮气保护，500～1000℃下二次碳化2～3h；最后加入HF溶液，搅拌20～24h以去除氧化物模板；再用去离子水洗至中性，干燥，即得高比表面生物质碳材料。通过BET测试，本发明专利技术制备的生物质碳材料具有较大的比表面积，使得碳材料更多的活性位点暴露在表面，从而有效的提高了氧还原催化活性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种，是将生物质材料洗净、切碎、自然风干后，在氮气保护500～1000℃下一次碳化2～3h，研磨粉碎后依次用硝酸溶液、FeCl3溶液进行活化处理，洗涤至中性，干燥；加入氧化物作为模板，搅拌反应15～30min，干燥后球磨；然后在氮气保护，500～1000℃下二次碳化2～3h；最后加入HF溶液，搅拌20～24h以去除氧化物模板；再用去离子水洗至中性，干燥，即得高比表面生物质碳材料。通过BET测试，本专利技术制备的生物质碳材料具有较大的比表面积，使得碳材料更多的活性位点暴露在表面，从而有效的提高了氧还原催化活性。【专利说明】
本专利技术属于新材料
，涉及一种高比表面生物质碳材料的制备方法，尤其 涉及一种，主要应用于燃料电池的氧还原催化反 应中。
技术介绍
碳材料以其优良的耐热性能、高导热系数、良好化学惰性、高电导率等优点，被广 泛应用于冶金、化工、机械、电子、航空等领域。近年来，由于化石资源的短缺，碳材料的发展 和应用受到了限制。生物质资源如林业生物质、农业废弃物、动物毛发粪便等属于可再生资 源因此成为化石资源的替代品，而且大部分生物质资源都含有丰富的碳元素，成为制备各 种碳材料的丰富原料。因此，利用生物质原料制备碳材料，可以降低碳材料生产成本，实现 碳材料的可持续发展。 高含氮量的碳材料，由于其表面有很多的活性位点，在碱性环境下对氧化剂具有 很好的氧还原催化活性，所以在研究开发高含氮量碳的非贵金属材料作为氧还原催化剂是 实现燃料电池工业化的必然途径。然而碳材料比表面积小的问题制约着其氧还原催化活 性。因此，制备比表面积较大的碳材料，在燃料电池的氧还原催化反应中具有十分重要的意 义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中存在的问题，提供一种模板法制备高比表面生物 质碳材料的方法。 本专利技术制备高比表面生物质碳材料的方法，是将生物质材料洗净、切碎、自然风干 后，在氮气保护500?1000 °C下一次碳化2?3 h，研磨粉碎后依次用硝酸溶液、FeCl3溶 液进行活化处理，洗涤至中性，干燥；加入氧化物作为模板，搅拌反应15?30 min，干燥后 球磨；然后在氮气保护，500?1000 °C下二次碳化2?3 h ;最后加入质量浓度40%?60% 的HF溶液，搅拌20?24 h以去除氧化物模板；再用去离子水洗至中性，干燥，即得高比表 面生物质碳材料。 所述生物质材料为高含氮量的生物质材料，例如：植物秸杆、蚕茧、黄豆、柳絮或动 物粪便。 所述硝酸溶液活化处理工艺：硝酸溶液的浓度为1?2mol/L，处理时间为20?24 h〇 所述FeCl3溶液活化处理的工艺：FeCl3溶液的浓度为0. 5?3 mol/L，处理时间为 0· 5 ?1 h〇 所述氧化物为微米或纳米级的二氧化硅、二氧化锆、二氧化钛、二氧化锌等，且氧 化物模板与一次碳化材料的质量比为1:6?1:3。 所述干燥是在50?80 °C的鼓风干燥箱中进行。 toon] 下面通过以牛粪为生物质原料，对本专利技术制备的高比表面生物质碳材料进行物理 表征和性能测试。 1、拉曼光谱图分析 图1为本专利技术制备的生物质碳材料的拉曼光谱图。从图1中可以看出，在1304 cnT1和 1595 cnT1分别出现了碳材料的特征峰，说明该材料是以石墨化状态存在的。 2、BET 分析 图2为本专利技术模板法制备的生物质碳材料的BET与未加入氧化物模板的生物质碳材料 的BET对比图。从图2中可以看出，本专利技术模板法制备的生物质碳材料具有更大的比表面 积(模板法制备的比表面达1213. 916 m2/g，相比未加入氧化物模板的生物质碳材料的比表 面增大了 965. 292 m2/g)，使得碳材料更多的活性位点暴露在表面，从而有效的提高了氧还 原催化活性。 3、氧还原性能测试 图3为本专利技术模板法制备的生物质碳材料的氧还原性能与商业XC-72碳粉的对比图。 从图3可以看出，利用本专利技术的方法制备的生物质碳材料相对商业XC-72碳粉，其氧还原活 性有明显的增强。 【专利附图】【附图说明】 图1为本专利技术以牛粪为原料制备的生物质碳材料的拉曼光谱图。 图2为牛粪生物质碳材料与利用本专利技术的方法加入氧化物处理后的BET对比图。 图3为牛粪生物质碳材料的氧还原性能与商业XC-72碳粉的对比图。 【具体实施方式】 实施例1 将新鲜的牛粪自然风干后，取1 g置于管式炉中，氮气保护、800 °C下高温煅烧2 h，研 磨粉碎。称取0.9 g样品加入30mL 2mol/L硝酸溶液搅拌24 h后用去离子水洗至中性，置 于60 °C的鼓风箱中干燥；再加入7mL 3mol/L的FeCl3溶液，搅拌0. 5 h，置于60°C的鼓风 箱中干燥后继续球磨6 h，得到预处理样品；在预处理样品中加入192 mg微米级二氧化锆 搅拌20 min，置于60 °C的鼓风箱中干燥后球磨6 h;然后置于管式炉中，氮气保护、800 °C 下高温碳化处理2 h，再向其加入30 mL 50%的HF搅拌24 h以去除二氧化硅模板；用去离 子水洗至中性，置于60 °C的鼓风箱中干燥，即得高比表面生物质碳材料。通过BET测试，碳 材料的比表面达到1213. 916 m2/g。 实施例2 将柳絮洗净、剪碎、自然风干后，取2 g置于管式炉中，氮气保护、50(TC下高温煅烧2 h， 研磨至粉碎。称取1.9 g加入40 mL 2 mol/L硝酸溶液搅拌24 h后用去离子水洗至中性， 置于60 °C的鼓风箱中干燥，再加入8 mL 3 mol/L的FeCl3溶液，搅拌0. 5 h，置于60 °C的 鼓风箱中干燥后继续球磨6 h得到预处理样品；在预处理样品中加入405 mg纳米级二氧化 硅搅拌20 min，于60 °C的鼓风箱中干燥后球磨6 h;然后置于管式炉中，氮气保护、800 °C 下高温碳化处理2 h，再向其加入40 mL 50%的HF搅拌24 h以去除二氧化硅模板；用去离 子水洗至中性，置于60 °C的鼓风箱中干燥，即得高比表面生物质碳材料。通过BET测试，碳 材料的比表面达到968. 71 m2/g。 实施例3 将蚕茧洗净、剪碎、自然风干后，取3 g置于管式炉中，氮气保护、90(TC下高温煅烧2 h， 研磨至粉碎。称取2.9 g加入50 mL 2 mol/L硝酸溶液搅拌24 h后用去离子水洗至中性， 置于60°C的鼓风箱中干燥；再加入9 mL 3 mol/L的FeCl3溶液，搅拌0. 5 h，置于60°C的鼓 风箱中干燥后继续球磨6 h得到预处理样品；在预处理样品中加入618 g微米级二氧化锌 搅拌20 min后置于60 °C的鼓风箱中干燥后球磨6 h，置于管式炉中，氮气保护、800 °C下 高温碳化处理2 h，再向其加入50 mL50%的HF搅拌24 h以去除二氧化锌模板，再用去离子 水洗至中性，置于60 °C的鼓风箱中干燥，即得高比表面生物质碳材料。通过BET测试，碳材 料的比表面积达到1087. 54 m2/g。 实施例4 将黄豆洗净、切碎、自然风干后，取4 g置于管式炉中，氮气保护、KKKTC下高温煅烧2 h，研磨至本文档来自技高网...

【技术保护点】
模板法制备高比表面生物质碳材料的方法，是将生物质材料洗净、切碎、自然风干后，在氮气保护500～1000 ℃下一次碳化2～3 h，研磨粉碎后依次用硝酸溶液、FeCl3溶液进行活化处理，洗涤至中性，干燥；加入氧化物作为模板，搅拌反应15～30 min，干燥后球磨；然后在氮气保护，500～1000 ℃下二次碳化2～3 h；最后加入HF溶液，搅拌20～24 h以去除氧化物模板；再用去离子水洗至中性，干燥，即得高比表面生物质碳材料。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣方，张争，马妍姣，王辉，季山，
申请(专利权)人：西北师范大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62