木质宏观多孔碳催化电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种木质宏观多孔碳催化电极材料，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经高温碳化处理所得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀镶嵌于微孔道结构的侧壁内。本发明专利技术还公开了一种制备如上所述的木质宏观多孔碳催化电极材料的方法，包括以下步骤：原木薄片和金属盐溶液通过水热法处理制备原木/金属氧化物复合前驱体；所述原木/金属氧化物复合前驱体经过两步高温碳化处理，制作木质宏观多孔碳催化电极材料。所述的木质宏观多孔碳催化电极材料在电催化技术领域有着广阔的应用前景。所述的木质宏观多孔碳催化电极材料生产成本低廉，生产工艺简单，而且同时具有优越的电催化性能。

【技术实现步骤摘要】
木质宏观多孔碳催化电极材料及其制备方法和应用
本专利技术属于电催化
，具体涉及一种木质宏观多孔碳催化电极材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，光催化和电催化分解水析氢反应（HER）被认为是将可持续、清洁太阳能转化为清洁能源载体的两种最有效的方法。电催化分解水可持续、规模化生产氢气，是一种解决能源危机和环境污染问题的有效方案，但需要高效、长期稳定的电催化剂材料。目前，关于电催化析氢的研究仍处于起步阶段，而其许多应用亟需大规模、可重复地制备价格低廉和性能优良的电催化电极材料。目前，Pt基材料和Ir/Ru氧化物分别是在强酸性和碱性条件下HER和OER的基准催化剂材料。然而，这些贵金属基催化剂的丰度低、成本过高，难以应用于规模化制氢反应，因此寻求廉价、高效和稳定的替代品是目前实现规模电催化制氢的前提。同样重要的是，文献报道的电催化材料多为粉状活性材料，在实际应用中需要使用绝缘聚合物粘合剂和导电添加剂将活性材料固定在导电基底上，这将不可避免地导致活性位点的阻塞，不利于传质和电子传输，从而极大抑制电催化活性。因此制备价廉、高性能的整体碳基电催化剂显得尤为迫切，但仍然面临巨大的挑战。另外，现有技术中提供了多种电催化电极材料，包括金属纳米材料、金属合金材料、金属复合物材料等，但这些材料在制备和应用过程中有着共同的不足之处：制备方法复杂、制作成本高、后处理方法繁琐。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提供一种制备方法简单、成本低廉、原料来源广泛、电催化活性高的木质宏观多孔碳催化电极材料。还有必要提供一种制备上述木质宏观多孔碳催化电极材料的制备方法。还有必要提供一种上述木质宏观多孔碳催化电极材料在电催化
的应用。本专利技术解决其技术问题所采用的技术手段为：一种木质宏观多孔碳催化电极材料，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经碳化处理得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀分布并镶嵌于微孔道结构的侧壁内。优选地，所述金属粒子为Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Ir、Ru、Mo、Au、Ag、Cu中的至少一种。一种制备如上所述的木质宏观多孔碳催化电极材料的方法，包括以下步骤：将原木去皮，按预定尺寸切割成薄片状，获取原木薄片；配制预定浓度的金属盐溶液，备用；将原木薄片浸入金属盐溶液，通过水热法处理，制备得到原木/金属氧化物复合前驱体；将所述原木/金属氧化物复合前驱体经两步碳化处理，制作木质宏观多孔碳催化电极材料。优选地，所述原木/金属氧化物复合前驱体的制备方法包括以下步骤：将所述原木薄片完全浸入预定量的金属盐溶液中，于120℃～220℃的温度下水热加热2h～6h，然后进行真空干燥处理，以制备原木/金属氧化物复合前驱体。优选地，所述两步碳化处理包括：将所述原木/金属氧化物复合前驱体首先于温度为235℃～285℃的马弗炉中加热2h～6h，然后于750℃～1200℃的温度下，惰性气体气氛煅烧4h～6h，以制作木质宏观多孔碳催化电极材料。如上所述的木质宏观多孔碳催化电极材料在电催化
的应用。优选地，所述木质宏观多孔碳催化电极材料作为电解水催化电极、电化学脱盐电极、二氧化碳电催化还原电极、锂电正负极材料或超级电容器活性材料的应用。优选地，所述木质宏观多孔碳催化电极材料作为电解水工艺中阴极或阳极的应用。本专利技术采用上述技术方案，其有益效果在于：用原木作为金属催化剂的载体，通过水热处理和简单碳化过程，制备所述木质宏观多孔碳催化电极材料，其制备工艺简单，仅需低温水热、低温空气碳化和高温惰性气氛碳化即可完成，获取所述木质宏观多孔碳催化电极材料；制作成本低廉，以易于得到的原木为主要原料，小型化的装置便可支撑制备工艺的进行，且制备的木质宏观多孔碳催化电极材料具有优越的性能，利用原木中的固有的微通道，获得大的比表面积，避免活性位点的阻塞，提高电子和电解质的传输效率，进而提高其催化活性，在作为电解水催化电极的应用中，负载单一金属粒子的情况下，产氢过电位（10mA/cm2）为130mV~220mV，其产氧过电位（10mA/cm2）为163mV~330mV。将本专利技术制备的木质宏观多孔碳催化电极材料应用于电催化
，尤其作为电解水催化电极、电化学脱盐电极、二氧化碳电催化还原电极、锂电正负极材料或超级电容器活性材料，其催化性能和电化学活性优越。附图说明图1是木质宏观多孔碳水分解催化电极材料上表面的SEM图。图2是木质宏观多孔碳水分解催化电极材料横截面的SEM图。图3是木质宏观多孔碳水分解催化电极材料的XRD图。图4是木质宏观多孔碳水分解催化电极材料的产氢线性伏案扫描曲线图。图5是木质宏观多孔碳水分解催化电极材料的产氧线性伏案扫描曲线图。具体实施方式以下结合本专利技术的附图，对本专利技术的实施例的技术方案做进一步的详细阐述。请参看图1、图2，在一较佳实施例中，一种木质宏观多孔碳催化电极材料，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经碳化处理得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀分布并镶嵌于微孔道侧壁内。所述原木选自椴木、桉木、松木、椿木、杨木、柳木、桃木、杏木、苹果木、梨木、榕木、樟木、槐木、枫木、柏木、柞木、榆木、桦木、檀木、橡木、杉木、梧桐木其中之一，原木易于得到，相比现有技术中公开的石墨结构载体，具有相似的功能效果，却大大的降低了生产成本。而且，原木固有的水通道在高温碳化过程中得以保留，形成细小的微通道，以经高温碳化处理原木得到的整体多孔碳作为金属粒子的载体，得到较大的比表面积，且有利于避免活性位点的阻塞，提高电子传输效率，进而提高其催化活性。本实施例中，专利技术人优先选用椴木，椴木是一种常见木材，具有油脂、耐磨、耐腐蚀、不易开裂、木纹细、易加工、韧性强等特点，且其细胞间质结构均匀致密，是作为本专利技术中，制作木质宏观多孔碳催化电极材料较佳选择。使用椴木制作的木质宏观多孔碳催化电极材料整体性强，有高的硬度以及鲜亮的光泽，其内部孔道分布均匀，金属粒子附着牢固，性能优越。其次，专利技术人利用松木、桃木、榆木、柏木、杉木制作的木质宏观多孔碳水分解催化电极材料，也具有良好的性能。制备的木质宏观多孔碳水分解催化电极材料在电解水的应用中，具有低的产氢过电位和产氧过电位，负载单一金属粒子的情况下，在最佳状态下，其产氢过电位（10mA/cm2）为130mV，同时，具有较高的催化稳定性能，稳定性长达到12h以上。本实施例中，选用原木还具有以下重要的优点：（1）原木经高温碳化之后，石墨化程度较高，因此具有优异的导电性能，有利于电子在电极材料中的传输，从而降低了电子传输的阻力；（2）原木经高温碳化之后，具有丰富的孔道结构和大的比表面积，作为催化剂载体，不仅有利于活性物种的分散，而且可促进电解质溶液和气体的扩散；（3）原木经高温碳化以后，其宏观结构保持，形成整体碳基电解材料，可直接应用于电催化反应，避免传统工艺中导电添加剂和粘结剂的使用，具有良好的规模化应用前景。进一步地，所述金属粒子为Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Ir、Ru、Mo、Au、Ag、Cu中的至少一种。专利技术人发现，单一的金属粒子负载于经碳化处理原木得到的整体多孔碳内，具有较为优越的电催化性能。Co、Ni、Pt、Ir、Ru、Au、Ag、Pd较佳，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种木质宏观多孔碳催化电极材料，其特征在于，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经碳化处理得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀分布并镶嵌于微孔道结构的侧壁内。

【技术特征摘要】
1.一种木质宏观多孔碳催化电极材料，其特征在于，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经碳化处理得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀分布并镶嵌于微孔道结构的侧壁内。2.如权利要求1所述的木质宏观多孔碳催化电极材料，其特征在于，所述金属粒子为Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Ir、Ru、Mo、Au、Ag、Cu中的至少一种。3.一种制备如权利要求1或2所述的木质宏观多孔碳催化电极材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：将原木去皮，按预定尺寸切割成薄片状，获取原木薄片；配制预定浓度的金属盐溶液，备用；将原木薄片浸入金属盐溶液，通过水热法处理，制备得到原木/金属氧化物复合前驱体；将所述原木/金属氧化物复合前驱体经两步碳化处理，制作木质宏观多孔碳催化电极材料。4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤“将原木薄片浸入金属盐溶液，通过水热法处理，制备得到原木/金属氧化物复合前驱体”包括以下步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：敏世雄，李亚男，王芳，邓万安，张海栋，刘剑威，
申请(专利权)人：北方民族大学，
类型：发明
国别省市：宁夏,64