一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂及其制备方法和应用。它包括以下步骤：1）将2.0~8.0g嵌段共聚物、0.2~4.0g含硼化合物和0.2~4.0g含氮化合物溶解于20~80g有机溶剂中，加入10~60g树脂，加入10~30g含硼离子液体，搅拌30~60min，在室温下挥发有机溶剂5‑20h后，置于50~150℃的常压烘箱中固化12~36h，再置于100~200℃的常压烘箱中固化12‑36h，得固化产物，固化产物进行球磨，得到粉末状产物，再进行焙烧，即得所述基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂。本发明专利技术得到的催化剂为介孔结构，具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，用于电解水制备臭氧，成本较低，电解过程绿色无污染，容易控制，有利于O3分子的扩散，由于O3极易分解，加快O3扩散，增加O3的产量。

A Catalyst Based on Boron and Nitrogen Co-doped Mesoporous Carbon and Its Preparation and Application

The invention discloses a catalyst based on boron and nitrogen co-doped mesoporous carbon, a preparation method and application thereof. It includes the following steps: 1) dissolving 2.0-8.0g block copolymer, 0.2-4.0g boron-containing compound and 0.2-4.0g nitrogen-containing compound in 20-80g organic solvent, adding 10-60g resin, adding 10-30g boron-containing ionic liquid, stirring for 30-60min, after 5-20h volatile organic solvent at room temperature, solidifying for 12-36h in an atmospheric oven at 50-150 degrees C, then solidifying for 12-36h in an atmospheric oven at 100-200 degrees C. At 36h, the cured product is obtained, the cured product is milled, the powder product is obtained, and then calcined. The catalyst based on boron and nitrogen co-doped mesoporous carbon is obtained. The catalyst has a mesoporous structure, large specific surface area, relatively large pore diameter and regular pore structure. It is used for preparing ozone from electrolytic water with low cost, green and pollution-free electrolysis process and easy to control, which is conducive to the diffusion of O3 molecule. O3 is easy to decompose, accelerate the diffusion of O3 and increase the production of O3.

【技术实现步骤摘要】
一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
O3是一种重要的强氧化剂，被广泛应用于水处理、化工、石油、纺织、食品、香料和制药等工业部门及空气消毒、灭菌等领域,是一种良好的“绿色环保消毒剂”。近年来,随着人们生活水平的提高,环保意识不断增强,O3越来越受到人们的关注和重视。目前，合成O3的方法主要是高频高压电晕放电法，需使用经过压缩、干燥等预处理的氧气或空气,投资费用高,产生的臭氧浓度低,在生成臭氧的同时还产生对人体和环境有害的氮氧化物(NOx)。此外,高频高压放电时还会产生射频噪声,因而在实际应用中受到很大的限制。有文献报道利用紫外线辐射法合成O3的方法。紫外线辐射法是以紫外线的能量使一个处于基态的氧分子分解为2个氧原子,再同一个氧分子反应产生O3的方法。对于生产大量O3来说不是一种有效的方法。电解水产生臭氧，以水为原料，反应条件温和，设备投资小，产生的O3浓度高，是一种非常有前途的O3发生的新方法。目前，电解水产生臭氧技术的研究多集中在β-PbO2阳极电极上。但是研究表明，经过长时间电解后，β-PbO2颗粒的粒径急剧下降，并且在高电位条件下的重结晶过程导致原颗粒表面形成了许多纳米级的小颗粒，引起电解水产生臭氧性能的下降。而硼掺杂金刚石电极极高的电化学稳定性和较高的析氧电位，在电化学合成臭氧的研究中受到关注。研究结果表明，无论是生成O3的效率还是电极的稳定性，硼掺杂金刚石电极都优于传统的β-PbO2电极。然而，由于金刚石高昂的价格，限制了硼掺杂金刚石电极的应用。专利技术内容针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂及其制备方法和应用，本专利技术制备的催化剂成本低廉，用于电解水制备臭氧，产生的臭氧浓度高。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将2.0~8.0g嵌段共聚物、0.2~4.0g含硼化合物和0.2~4.0g含氮化合物溶解于20~80g有机溶剂中，加入10~60g树脂，加入10~30g含硼离子液体，搅拌30~60min，在室温下挥发有机溶剂5-20h后，置于50~150℃的常压烘箱中固化12~36h，再置于100~200℃的常压烘箱中固化12-36h，得固化产物；2）对步骤1）所得固化产物进行球磨，得到粉末状产物，再进行焙烧，即得所述基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于嵌段共聚物的质量为4~7g，所述嵌段共聚物为P123、P103、P85、F38、F68或F127，优选为P123或F127；含硼化合物质量为0.5~2.0g，所述含硼化合物为氧化硼、氮化硼、硼酸、碳化硼、硼烷或甲基硼酸，优选为硼酸或氧化硼。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于含氮化合物质量为0.5~2.0g，所述含氮化合物为三聚氰胺、二聚氰胺、尿素、吡啶、甲酰胺或三乙醇胺，优选为三聚氰胺或尿素；有机溶剂质量为30~60g，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、二氯乙烷或甲苯，优选为乙醇或甲苯。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于树脂质量为20~40g，所述树脂为酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、脲甲醛树脂或聚酰亚胺树脂，优选为酚醛树脂；所述含硼离子液体为N-丁基吡啶四氟硼酸盐、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-胺丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-苄基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，优选为N-丁基吡啶四氟硼酸盐或1-胺丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于步骤2）中，所述球磨的步骤为：将步骤1）所得固化产物放入球磨罐，加入6~30个小球，在自转转速为50~400r/min、公转转速为100~800r/min下，研磨0.5~6h，得到粉末状产物；所述焙烧的步骤为：在通气条件下，将所述粉末状产物置于管式炉中，管式炉以1~10℃/min的升温速率升温至200~400℃，保温1~5h，再以1~10℃/min的升温速率升温至500~1300℃，保温1~5h后，得到的产物冷却至室温后，用热液冲洗，进行抽滤，滤渣再在50~100℃下真空干燥12~24h。所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于通入的气体为氨气、氮气、氩气、氦气或空气，优选为氮气或氩气；热液的温度为60~100℃，所述热液为0.1~1mol/L的硫酸水溶液、0.1~1mol/L的盐酸水溶液、0.1~1mol/L的氯化钠水溶液、饱和硫酸钠水溶液、饱和硫酸钾水溶液或去离子水。所述的方法制备的基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂。所述的基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂在电解水制备臭氧中的应用。所述的应用，其特征在于采用固体聚合物电解质臭氧发生器作为反应器，电解室容积为0.5-3L，加入去离子水；将所述硼掺杂介孔碳催化剂和含10-20%铂含量的铂碳催化剂分别涂覆在质子交换膜的阳极面和阴极面，电解反应的电流为5-20A，槽电压为3-6V，于10-80℃下进行电解反应，得臭氧产品；其中电解反应时间为1~24h。所述的应用，其特征在于所述质子交换膜为NafionN117、NafionN115、NafionD520、NafionNRE211、NafionNRE212或NafionHP，优选为NafionN117或NafionN115。与现有技术相比，本专利技术取得的有益效果如下：（1）本专利技术所述催化剂的制备原料均为非金属，原料易得，成本低；（2）本专利技术所述催化剂稳定性好，在电解水实验中，重复循环使用10-20次后，仍能保持较好的催化活性；（3）本专利技术所述催化剂活性较高，进行电解水实验时，经臭氧检测器检测得O3体积质量浓度可高达156.72g/m3；（4）本专利技术所述催化剂为介孔结构，具有较大的比表面积，相对大的孔径以及规整的孔道结构，有利于O3分子的扩散，由于O3极易分解，加快O3扩散可增加O3的产量，且其稳定性好，使用超过20个小时，依旧能保持很好的催化效果；（5）本专利技术所述催化剂合成工艺流程简单，操作简便，环境污染小，原料转化率较高，可连续生产，十分有利于工业化生产；（6）本专利技术所述电催化过程使用去离子水作为电解液，成本较低，电解过程绿色无污染，容易控制。附图说明图1为实施例1制备催化剂的TEM图；图2为实施例1制备催化剂的SEM图；图3为实施例2制备催化剂的TEM图；图4为实施例2制备催化剂的SEM图；图5为实施例1-6制得的催化剂与PbO2的LSV曲线对比图；图6为实施例1-6中制备的催化剂用于电解水产生O3稳定性对比图。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。实施例1：制备基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂：（1）将2.0g嵌段共聚物P123、0.2g氧化硼和0.2g三聚氰胺溶解于20g甲醇中，加入10g酚醛树脂，加入15gN-丁基吡啶四氟硼酸盐，搅拌30min，在室温下挥发甲醇5h后，将该复合物置于50℃常压烘箱中固化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将2.0~8.0g嵌段共聚物、0.2~4.0g含硼化合物和0.2~4.0g含氮化合物溶解于20~80g有机溶剂中，加入10~60g树脂，加入10~30g含硼离子液体，搅拌30~60min，在室温下挥发有机溶剂5‑20h后，置于50~150℃的常压烘箱中固化12~36h，再置于100~200℃的常压烘箱中固化12‑36h，得固化产物；2）对步骤1）所得固化产物进行球磨，得到粉末状产物，再进行焙烧，即得所述基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将2.0~8.0g嵌段共聚物、0.2~4.0g含硼化合物和0.2~4.0g含氮化合物溶解于20~80g有机溶剂中，加入10~60g树脂，加入10~30g含硼离子液体，搅拌30~60min，在室温下挥发有机溶剂5-20h后，置于50~150℃的常压烘箱中固化12~36h，再置于100~200℃的常压烘箱中固化12-36h，得固化产物；2）对步骤1）所得固化产物进行球磨，得到粉末状产物，再进行焙烧，即得所述基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂。2.根据权利要求1所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于嵌段共聚物的质量为4~7g，所述嵌段共聚物为P123、P103、P85、F38、F68或F127，优选为P123或F127；含硼化合物质量为0.5~2.0g，所述含硼化合物为氧化硼、氮化硼、硼酸、碳化硼、硼烷或甲基硼酸，优选为硼酸或氧化硼。3.根据权利要求1所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于含氮化合物质量为0.5~2.0g，所述含氮化合物为三聚氰胺、二聚氰胺、尿素、吡啶、甲酰胺或三乙醇胺，优选为三聚氰胺或尿素；有机溶剂质量为30~60g，所述有机溶剂为甲醇、乙醇、异丙醇、乙醚、二氯乙烷或甲苯，优选为乙醇或甲苯。4.根据权利要求1所述的一种基于硼、氮共掺杂介孔碳的催化剂的制备方法，其特征在于树脂质量为20~40g，所述树脂为酚醛树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、环氧树脂、脲甲醛树脂或聚酰亚胺树脂，优选为酚醛树脂；所述含硼离子液体为N-丁基吡啶四氟硼酸盐、1-戊基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-胺丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-苄基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或N-甲氧基乙基-N-甲基二乙基铵四氟硼酸盐，优选为N-丁基吡啶四氟硼酸盐或1-胺丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。5....

【专利技术属性】
技术研发人员：钟兴，张悄悄，王建国，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33