一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法技术

本发明专利技术涉及一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，将煤炭粉碎到200目以上，在氨气和惰性气体气氛下于500～1050℃煅烧1～3小时，在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为50～200sccm，在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，反应器里取出的产品即为自掺杂氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料。优点是：大幅度降低了传统煤炭资源在燃烧获得能量过程中带来的污染环境的问题，并成功简单的利用一步法对低值煤炭进行深加工提高了其附加值，制备了可用于新能源转换存储系统的绿色电池的自掺杂氧反应电催化材料。

Method for preparing self doped bifunctional oxygen reaction electric catalyst by using coal

The invention relates to a use of coal preparation of self doped Bi functional oxygen electrocatalyst reaction method, the coal crushed to 200 meshes, the ammonia gas and inert gas atmosphere from 500 to 1050 8C for 1 to 3 hours, in this process, the heating rate at 2 to 10 DEG /min; airflow rate was 50 to 200sccm, the natural cooling in the inert gas or inert gas, ammonia gas and mixed gas under the protection of the reactor to remove products for self doped oxygen reduction and water oxygen analytical bifunctional oxygen reaction catalytic materials. The advantages are: reduce the traditional coal resources in the combustion process of environmental pollution brought energy problems, and successfully use a simple one-step coal deep processing to improve the added value of low value, can be used for the preparation of self doped oxygen electro catalytic material green battery new energy conversion and storage system the.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源电池的氧反应电催化材料领域，尤其涉及一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法。
技术介绍
以石油产品为动力源的车辆所排放的废气成了影响地球气候和城市环境污染的主要来源，此外能源短缺问题也越来越严峻。因此，能源和环境问题已成为传统汽车发展的最大障碍，寻找和发展“低碳绿色新能源”成为本世纪人类文明的重要内容。随着新能源电池汽车的兴起，进一步提高各类绿色电池的操作效率和降低其成本是本世纪相关研究领域的重要内容之一。想要最终能够商业化并实现大生产，寻找开发更为廉价的非贵重金属催化剂作为替代品非常必要。性能优异的碳改性复合材料为催化材料的研发提供了新的契机。另一方面，煤炭是地球上蕴含丰富的三大主要能源之一，而传统的燃烧获取能量的方式造成了严重的环境污染，因此提高煤资源的环境友好的高附加值利用是未来的发展趋势。因此，开发一种利用我国资源丰富的低值煤炭制备高附加值的可用于绿色新能源金属空气电池的双功能氧还原和水解析氧电催化剂对环境和能源的可持续发展以及新能源电池的商业应用具有重要意义。
技术实现思路
为克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，合成方法简单，易操作，产率高，成本低。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案实现：一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，将煤炭粉碎到200目以上，在氨气和惰性气体气氛下于500～1050℃煅烧1～3小时，在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为50～200sccm，在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，反应器里取出的产品即为自掺杂氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料。所述的煤炭为褐煤、烟煤或无烟煤。所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气。自掺杂双功能氧反应电催化剂包括自掺杂氮、磷、硼、或/和硫的煤基多孔碳，或/和自掺杂铁、锰、钴、镍过渡金属元素中的一种或多种的煤基多孔碳。所述的氨气和惰性气体混合气体的体积比为1:10～1:1。一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，所述的氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料进一步与外加铁、钴、镍、锰过渡金属元素中的一种或多种混合物共混，或者直接利用煤炭原材料与外加铁、钴、镍、锰过渡金属元素中的一种或多种混合物共混，其中过渡金属元素与煤基多孔炭或煤炭原材料的质量比为1:100～1:1，在氨气和惰性气体的混合气氛下于500～1050℃下高温处理1～3小时；在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为20～200sccm；然后在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，最终制得过渡金属复合双功能氧反应电催化剂；所述的氨气和惰性气体混体积比为1:10～1:1。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、大幅度降低了传统煤炭资源在燃烧获得能量过程中带来的污染环境的问题，并成功简单的利用一步法对低值煤炭进行深加工提高了其附加值，制备了可用于新能源转换存储系统的绿色电池的自掺杂氧反应电催化材料。2、合成的新能源电池用的自掺杂氧反应电催化材料具有良好的氧还原和水解析氧的起始电压、活性、选择性和稳定性。3、制备的自掺杂氧反应电催化材料所需的碳和微量掺杂元素来源于煤炭本身。4、通过煤炭与外加铁、钴、镍、锰过渡金属元素中的一种或多种混合物共混所制得的过渡金属复合双功能氧反应电催化剂，可以进一步提高电催化材料的双功能氧还原和水解析氧的性能。5、合成工艺简单，易操作，产率高，对合成设备要求不苛刻，成本低，可大规模生产，易于实现产业化。附图说明图1是实施例1中原始煤炭的扫描电镜图片。图2是实施例1中原始煤炭和高温氨气热处理以后的煤基氧反应电催化材料的XRD图。图3是实施例1中原始煤炭高温氨气热处理以后的煤基氧反应电催化材料的XPS图。其中黑色为原始煤炭样品，红色为直接高温在氨气环境下处理以后的煤基氧反应电催化材料。图4是实施例2中原始煤炭的EDX元素分析图谱。图5是实施例2中利用线性扫描法和旋转环盘电极检测所得的原始煤炭和高温氨气热处理以后的煤基氧反应电催化材料的氧还原线性伏安曲线图。图6是实施例3中利用线性扫描法和旋转环盘电极检测所得的高温氨气热处理以后的煤基氧反应电催化材料的水解析氧线性伏安曲线图。图7是实施例4中利用循环伏安法检测高温氨气热处理以后的煤基氧反应电催化材料的稳定性结果。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术进行详细地描述，但是应该指出本专利技术的实施不限于以下的实施方式。利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，将煤炭粉碎到200目以上，在氨气和惰性气体气氛下于500～1050℃煅烧1～3小时，在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为50～200sccm，在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，反应器里取出的产品即为自掺杂氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料。其中，煤炭为褐煤、烟煤或无烟煤。惰性气体为氮气、氩气或氦气。自掺杂双功能氧反应电催化剂根据煤炭原材料的不同包括自掺杂了氮、磷、硼、或/和硫的煤基多孔碳，或/和自掺杂了铁、锰、钴、镍过渡金属元素中的一种或多种的煤基多孔碳。氨气和惰性气体混合气体的体积比为1:10～1:1。所述的氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料也可进一步与外加铁、钴、镍、锰过渡金属元素中的一种或多种混合物共混，或者直接利用煤炭原材料与外加铁、钴、镍、锰过渡金属元素中的一种或多种混合物共混，金属元素与煤基多孔炭或煤炭原材料的质量比为1:100～1:1，在氨气和惰性气体的混合气氛下于500～1050℃下高温处理1～3小时；在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为20～200sccm；然后在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，最终制得过渡金属复合双功能氧反应电催化剂；所述的氨气和惰性气体混体积比为1:10～1:1。实施例1以新疆褐煤作为原材料(形貌图见图1)，在玛瑙研钵中研磨5-10分钟，使其粉碎到200目以上，在氨气和氩气混合气氛(体积比为1:9)下于800℃条件下煅烧2小时，反应器在氩气保护下自然冷却到室温后，取出样品，即得煤基自掺杂氧反应电催化材料。XRD结果表明在氨气环境下高温热处理制备的氧反应电催化材料相比于原始煤炭含有更高的石墨结构，见图2，下面线条表示原始煤炭样品，上面线条为直接高温在氨气环境下处理以后的煤基氧反应电催化材料；XPS结果显示经过了氨气环境的高温热处理过程，氧反应电催化材料含有明显高于原始煤炭的氮元素，见图3。实施例2以内蒙古褐煤作为原材料，EDX元素分析见图4，在玛瑙研钵中研磨5-10分钟，得到200目以上颗粒，在氨气和氩气气氛(体积比为2:8)下于700℃条件下煅烧3小时，反应器在氩气保护下自然冷却到室温后，取出样品，即得煤基自掺杂氧反应电催化材料。XRD结果表明在氨气环境下高温热处理制备的氧反应电催化材料相比于原始煤炭含有更高的石墨结构；电化学测试结果表面该氧反应电催化材料有很好氧还原起始电压、活性和选择性，见图5，上面曲线为原始煤炭样品，下面曲线为直接高温在氨气环境下处理以后的煤基氧反应电催化材料。实施例3以山西无烟煤作为原材料，在玛瑙研钵中研磨5-10分钟，得到粒度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，其特征在于，将煤炭粉碎到200目以上，在氨气和惰性气体气氛下于500～1050℃煅烧1～3小时，在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为50～200sccm，在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，反应器里取出的产品即为自掺杂氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料。

【技术特征摘要】
1.一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，其特征在于，将煤炭粉碎到200目以上，在氨气和惰性气体气氛下于500～1050℃煅烧1～3小时，在此过程中，升温速度控制在2～10℃/min；气流速度为50～200sccm，在惰性气体、或者氨气和惰性气体混合气体保护下自然降温，反应器里取出的产品即为自掺杂氧还原和水解析氧双功能氧反应电催化材料。2.根据权利要求1所述的一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，其特征在于，所述的煤炭为褐煤、烟煤或无烟煤。3.根据权利要求1所述的一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，其特征在于，所述的惰性气体为氮气、氩气或氦气。4.根据权利要求1所述的一种利用煤炭制备自掺杂双功能氧反应电催化剂的方法，其特征在于，自掺杂双功能氧反应电催化剂包括自掺杂氮、磷、硼、或/和硫的煤基多孔碳，或/和自掺杂铁、锰、钴、镍过渡金属元素中的一种或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈星星，黄新宁，
申请(专利权)人：辽宁科技大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21