一种基于蒲公英的氧还原催化剂及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于蒲公英的氧还原催化剂及其制备方法，该氧还原催化剂的制备方法包括以下步骤：1)对蒲公英花葶进行清洗、干燥；2)对步骤1)处理过的蒲公英花葶进行低温预处理；3)对步骤2)处理过的蒲公英花葶进行化学活化；4)对步骤3)处理过的蒲公英花葶进行高温碳化、清洗和干燥。本发明专利技术以蒲公英为原料制备了一种氧还原催化剂，其具有蜂窝状结构，比表面积大，氧还原能力和Pt/C催化剂相当，催化活性大，且其制备工艺简单、安全环保。

【技术实现步骤摘要】
一种基于蒲公英的氧还原催化剂及其制备方法
本专利技术涉及一种基于蒲公英的氧还原催化剂，具体涉及一种具有管状多孔结构的氧还原催化剂及其制备方法。
技术介绍
氧还原催化反应(ORR)是燃料电池中的关键反应之一。铂(Pt)及其合金等贵金属材料是催化氧还原反应的理想催化剂，但其价格高昂、稳定性较差，制约了其发展。因此，开发廉价易得、高效稳定的非贵金属催化剂对燃料电池技术的发展具有重要意义。研究发现，非贵金属、金属有机框架类以及过渡金属碳氮化合物经过改性或修饰后，其氧还原催化活性可与Pt/C媲美。然而，这些催化剂在制备过程需要使用大量的有毒有害试剂，会带来二次污染和处置问题。近年来有研究表明，生物质碳材料(自身便具有氮、硫、铁等原子)经过活化和高温碳化后，可以直接获得具有氮、硫、铁等原子掺杂的碳基催化剂，同时表现出良好的氧还原催化活性。天然生物质材料具有样品来源广泛、结构多元、易于获取等特点，是制备非金属碳基纳米催化剂的重要原料之一。CN105633424A公开了一种基于蜘蛛丝的多孔活性碳纤维材料及应用，通过对蛛丝进行活化和高温碳化，可以得到一种具有微孔结构的活性碳纤维，但该活性碳纤维的相对比表面积较低，此外，蛛丝在获取上具有一定的难度，不易大量获取。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于蒲公英的氧还原催化剂及其制备方法。本专利技术所采取的技术方案是：一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)对蒲公英花葶进行清洗、干燥；2)将步骤1)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至270～320℃，保温1～2h，再冷却至室温；3)将步骤2)处理过的蒲公英花葶加入ZnCl2溶液中，60～80℃活化6～12h，再取出干燥；4)将步骤3)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至500～1200℃，保温2～6h，再冷却至室温，对产物进行清洗、干燥，得到基于蒲公英的氧还原催化剂。步骤1)所述清洗的具体操作为先用去离子水浸泡清洗20～40min，再用乙醇浸泡清洗15～30min，再用摩尔浓度0.1～1mol/L的HCl溶液浸泡清洗10～20min，最后用超纯水清洗15～30min。步骤1)所述干燥在50～70℃下进行，干燥时间为6～12h。步骤3)所述ZnCl2溶液的摩尔浓度为0.1～0.3mol/L。步骤3)所述干燥在40～60℃下进行，干燥时间为12～24h。步骤4)所述清洗的具体操作为先用摩尔浓度0.1～1mol/L的HCl溶液清洗3～5次，再用去离子水清洗3～5次。步骤4)所述干燥在50～110℃下进行，干燥时间为12～36h。本专利技术的有益效果是：本专利技术以蒲公英为原料制备了一种氧还原催化剂，其具有蜂窝状结构，比表面积大，氧还原能力和Pt/C催化剂相当，催化活性大，且其制备工艺简单、安全环保。附图说明图1～3为实施例1的基于蒲公英的氧还原催化剂的SEM图。图4为实施例1的基于蒲公英的氧还原催化剂和Pt/C催化剂的线性伏安扫描曲线。具体实施方式一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)对蒲公英花葶进行清洗、干燥；2)将步骤1)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至270～320℃，保温1～2h，再冷却至室温；3)将步骤2)处理过的蒲公英花葶加入ZnCl2溶液中，60～80℃活化6～12h，再取出干燥；4)将步骤3)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至500～1200℃，保温2～6h，再冷却至室温，对产物进行清洗、干燥，得到基于蒲公英的氧还原催化剂。优选的，步骤1)所述清洗的具体操作为先用去离子水浸泡清洗20～40min，再用乙醇浸泡清洗15～30min，再用摩尔浓度0.1～1mol/L的HCl溶液浸泡清洗10～20min，最后用超纯水清洗15～30min。优选的，步骤1)所述干燥在50～70℃下进行，干燥时间为6～12h。优选的，步骤3)所述ZnCl2溶液的摩尔浓度为0.1～0.3mol/L。优选的，步骤3)所述干燥在40～60℃下进行，干燥时间为12～24h。优选的，步骤4)所述清洗的具体操作为先用摩尔浓度0.1～1mol/L的HCl溶液清洗3～5次，再用去离子水清洗3～5次。优选的，步骤4)所述干燥在50～110℃下进行，干燥时间为12～36h。优选的，步骤2)和4)所述的保护气为氮气、氩气中的一种。本专利技术的基本原理如下：本专利技术先对蒲公英花葶进行低温预处理和化学活化，再进行高温碳化。低温预处理可以使蒲公英花葶中的半纤维素等不稳定成分转化为灰分，并使一些亲水性基团和弱键作用力被破坏，再用ZnCl2进行化学活化，可以使ZnCl2与低温预处理过的蒲公英花葶接触更加充分，最后进行高温碳化，当温度达到ZnCl2熔点时，固态的ZnCl2开始融化为液态，渗入到碳化的蒲公英花葶内部形成骨架，并抑制焦油产生，促进碳材料热解，使其沉积在骨架上形成多孔结构，当温度升高至ZnCl2沸点时，Zn2+与C原子会发生强烈的化学反应，导致碳层不断地芳构化并扩展，最终形成大量微孔结构。所以，得到的生物碳基催化剂具有微孔结构和蒲公英花葶自身的管状结构，比表面积大，氧还原催化效率高。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步的解释和说明。实施例1：一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)将蒲公英花葶先用去离子水浸泡清洗30min，再用乙醇浸泡清洗20min，再用摩尔浓度0.1mol/L的HCl溶液浸泡清洗20min，最后用超纯水清洗30min，再置于烘箱中60℃烘8h；2)将步骤1)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通氮气保护，以5℃/min的升温速率由室温升温至290℃，保温2h，再冷却至室温；3)将步骤2)处理过的蒲公英花葶加入摩尔浓度0.1mol/L的ZnCl2溶液中，80℃搅拌活化12h，再取出置于烘箱中60℃烘12h；4)将步骤3)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通氮气保护，以5℃/min的升温速率由室温升温至900℃，保温2h，再冷却至室温，先用摩尔浓度0.1mol/L的HCl溶液清洗产物3次，再用去离子水清洗产物3次，最后将产物置于烘箱中80℃烘24h，得到基于蒲公英的氧还原催化剂。本实施例制备的基于蒲公英的氧还原催化剂的SEM图如图1～3所示。将本实施例制备的基于蒲公英的氧还原催化剂和Pt/C作为微生物燃料电池(MFC)的阴极催化剂，利用旋转圆盘电极分别对它们进行了线性伏安法(LSV)测试，测试结果如图4所示(参比电极：Ag/AgCl电极)。由图1～3可知：本专利技术的基于蒲公英的氧还原催化剂具有三维管状层叠结构(见图1)，管内部呈中空结构(见图2)，且管壁上具有较多的空隙结构(见图3)，表明其比表面积大、催化位点多、催化活性大。由图4可知：本专利技术的基于蒲公英的氧还原催化剂的功率输出接近于Pt/C催化剂，并且MFC运行稳定超过3个月，而输出电压基本没有出现下降，其稳定性比Pt/C催化剂更高。实施例2：一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，包括以下步骤：1)将蒲公英花葶先用去离子水浸泡清洗30min，再用乙醇浸泡清本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)对蒲公英花葶进行清洗、干燥；2)将步骤1)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至270～320℃，保温1～2h，再冷却至室温；3)将步骤2)处理过的蒲公英花葶加入ZnCl2溶液中，60～80℃活化6～12h，再取出干燥；4)将步骤3)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至500～1200℃，保温2～6h，再冷却至室温，对产物进行清洗、干燥，得到基于蒲公英的氧还原催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种基于蒲公英的氧还原催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：1)对蒲公英花葶进行清洗、干燥；2)将步骤1)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至270～320℃，保温1～2h，再冷却至室温；3)将步骤2)处理过的蒲公英花葶加入ZnCl2溶液中，60～80℃活化6～12h，再取出干燥；4)将步骤3)处理过的蒲公英花葶加入高温炉中，通入保护气，以5～10℃/min的升温速率由室温升温至500～1200℃，保温2～6h，再冷却至室温，对产物进行清洗、干燥，得到基于蒲公英的氧还原催化剂。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤1)所述清洗的具体操作为先用去离子水浸泡清洗20～40min，再用乙醇浸泡清洗15～30min，再用摩尔浓度0.1～1mol/L的HCl溶液浸泡清洗10～20min，最后用超纯水清洗15～30min。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐家桓，王亚军，吴佳雄，上官华媛，
申请(专利权)人：福建农林大学，
类型：发明
国别省市：福建,35