一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂及制法制造技术

本发明专利技术涉及锌

【技术实现步骤摘要】
一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂及制法


[0001]本专利技术涉及锌-空气电池领域，具体为一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂及制法。

技术介绍

[0002]锌-空气电池具有体积小、质量轻、电荷容量大、工作温度范围宽、环保无污染等特点，被认为是装备电动汽车等的理想动力电源，是最有前景的能源转换装置之一，其中锌-空气电池的放电过程对应的是氧还原反应(ORR)，而充电过程对应的是析氧反应(OER)，但是其析氧反应在动力学上反应缓慢，通常需要加入高效的催化剂来驱动析氧反应的进行，主要为昂贵的铂基贵金属催化剂，因此开发催化活性高、成本低廉的析氧反应催化剂成为研究热点。
[0003]多孔碳材料具有丰富的介孔结构、超高的比表面积、良好的电化学性质，并且廉价易得，在超级电容器、燃料电池、锂离子电池等电化学领域中具有广泛的研究和应用，目前在多孔碳材料引入Co-N
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、Ni-N
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等析氧反应催化活性位点，可以使多孔碳材料表现出良好的析氧活性，是开发新型的非贵金属析氧催化剂的有效策略。
[0004](一)解决的技术问题
[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂及制法，具有丰富的Co-N
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析氧催化位点和优异的析氧活性。
[0006](二)技术方案
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂：所述Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂的制法如下：
[0008](1)通过反相悬浮聚合技术制备得到木质素球形多孔珠体。
[0009](2)向锥形瓶中加入去离子水和木质素球形多孔珠体，超声分散均匀后加入丙烯腈，在50-70℃下，加入过氧化氢的水溶液和硫酸亚铁，搅拌反应2-4h，使用去离子水和乙醇离心洗涤并干燥，制得丙烯腈改性木质素微球。
[0010](3)向锥形瓶中加入去离子水、盐酸羟胺和碳酸钠，搅拌均匀后加热至60-80℃，加入丙烯腈改性木质素微球，搅拌反应3-8h，使用去离子水和乙醇离心洗涤并干燥，制得偕胺肟化木质素微球。
[0011](4)向锥形瓶中加入去离子水、钴源和偕胺肟化木质素微球，匀速搅拌24-48h，进行吸附过程，真空干燥去除水分，得到Co修饰木质素微球。
[0012](5)将Co修饰木质素微球置于气氛炉中碳化，得到Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂。
[0013]优选的，所述步骤(2)中木质素球形多孔珠体、丙烯腈、过氧化氢和硫酸亚铁的质量比为100:80-160:2-3.5:220-400。
[0014]优选的，所述步骤(3)中的盐酸羟胺、碳酸钠和丙烯腈改性木质素微球的质量比为15-30:8-15:100。
[0015]优选的，所述步骤(4)中的钴源为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴或醋酸钴中的任意一种，与偕胺肟化木质素微球的质量比为30-80:100。
[0016]优选的，所述步骤(5)中的碳化过程为氮气气氛，碳化温度为750-850℃，碳化时间为2-3h。
[0017](三)有益的技术效果
[0018]与现有技术相比，本专利技术具备以下化学机理和有益技术效果：
[0019]该一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂，在Fe
2+
/H2O2的引发体系中，使丙烯腈的烯基与木质素微球反应，得到丙烯腈改性木质素微球，从而在木质素微球的基体中引入大量的氰基官能团，氰基再与盐酸羟胺进行偕胺肟化反应，得到含有丰富的偕胺肟官能团的木质素微球，偕胺肟官能团对Co
2+
离子具有很强络合吸附和螯合配位作用，从而将Co
2+
均匀吸附到木质素微球的基体中，使Co
2+
高度分布在木质素微球。
[0020]该一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂，高温碳化过程中，以廉价易得的木质素微球作为生物质碳源，偕胺肟官能团作为氮源，碳化得到N掺杂多孔碳球，具有丰富的介孔结构和超高的比表面积，N掺杂主要以石墨氮、吡啶氮和吡咯氮结构，可以调节多孔碳球电化学性质，提高导电性能，从而促进析氧反应过程中电子的转移，而偕胺肟官能团吸附的Co
2+
热还原形成Co纳米粒子，由于Co
2+
被均匀吸附到木质素微球的基体中，因此热还原的Co纳米粒子会高度分散在N掺杂多孔碳球的基体中，减少了Co纳米粒子的团聚和聚集，分散均匀的Co纳米粒子更好地与相邻的活性氮结构形成Co-N
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活性位点，作为析氧反应的活性催化中心，在多孔碳球基体和高度分散的Co-N
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催化活性中心的协同作用下，使析氧反应催化剂表现出高度的析氧起始电位和析氧半波电位，具有优异的析氧反应催化活性。
具体实施方式
[0021]为实现上述目的，本专利技术提供如下具体实施方式和实施例：一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂，制法如下：
[0022](1)通过反相悬浮聚合技术制备得到木质素球形多孔珠体。
[0023](2)向锥形瓶中加入去离子水和木质素球形多孔珠体，超声分散均匀后加入丙烯腈，在50-70℃下，加入过氧化氢的水溶液和硫酸亚铁，其中木质素球形多孔珠体、丙烯腈、过氧化氢和硫酸亚铁的质量比为100:80-160:2-3.5:220-400，搅拌反应2-4h，使用去离子水和乙醇离心洗涤并干燥，制得丙烯腈改性木质素微球。
[0024](3)向锥形瓶中加入去离子水、盐酸羟胺和碳酸钠，搅拌均匀后加热至60-80℃，加入丙烯腈改性木质素微球，其中盐酸羟胺、碳酸钠和丙烯腈改性木质素微球的质量比为15-30:8-15:100，搅拌反应3-8h，使用去离子水和乙醇离心洗涤并干燥，制得偕胺肟化木质素微球。
[0025](4)向锥形瓶中加入去离子水、质量比为30-80:100的钴源和偕胺肟化木质素微球，其中钴源为氯化钴、硫酸钴、硝酸钴或醋酸钴中的任意一种，匀速搅拌24-48h，进行吸附过程，真空干燥去除水分，得到Co修饰木质素微球。
[0026](5)将Co修饰木质素微球置于气氛炉中，在氮气气氛下，750-850℃中碳化2-3h，得到Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂。
[0027]实施例1
[0028](1)通过反相悬浮聚合技术制备得到木质素球形多孔珠体。
[0029](2)向锥形瓶中加入去离子水和木质素球形多孔珠体，超声分散均匀后加入丙烯腈，在50℃下，加入过氧化氢的水溶液和硫酸亚铁，其中木质素球形多孔珠体、丙烯腈、过氧化氢和硫酸亚铁的质量比为100:80:2:220，搅拌反应2h，使用去离子水和乙醇离心洗涤并干燥，制得丙烯腈改性木质素微球。
[0030](3)向锥形瓶中加入去离子水、盐酸羟胺和碳酸钠，搅拌均匀后加热至60℃，加入丙烯腈改性木质素微球，其中盐酸羟胺、碳酸钠和丙烯腈改本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂，其特征在于：所述Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂的制法如下：(1)通过反相悬浮聚合技术制备得到木质素球形多孔珠体；(2)向锥形瓶中加入去离子水和木质素球形多孔珠体，超声分散均匀后加入丙烯腈，在50-70℃下，加入过氧化氢的水溶液和硫酸亚铁，搅拌反应2-4h，制得丙烯腈改性木质素微球；(3)向锥形瓶中加入去离子水、盐酸羟胺和碳酸钠，搅拌均匀后加热至60-80℃，加入丙烯腈改性木质素微球，搅拌反应3-8h，制得偕胺肟化木质素微球；(4)向锥形瓶中加入去离子水、钴源和偕胺肟化木质素微球，匀速搅拌24-48h，进行吸附过程，得到Co修饰木质素微球；(5)将Co修饰木质素微球置于气氛炉中碳化，得到Co-N双掺杂生物质多孔碳球的析氧反应催化剂。2.根据权利要求1所述的一种Co-N...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋焯文，
申请(专利权)人：广州千研贸易有限公司，
类型：发明
国别省市：