一种基于微波作用下合成的碳气凝胶催化剂及其合成方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种基于微波作用下合成的碳气凝胶催化剂及其合成方法和应用，所述催化剂的制备方法是：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料加入水中并调节pH至5~7之间后，将反应液体系置于微波辐射环境下进行反应，反应结束后烘干，所得固体转移至管式炉中于氮气气氛下焙烧，即制得所述碳气凝胶催化剂产品。本发明专利技术利用微波合成法代替常温搅拌法来制备碳气凝胶催化剂，优点在于操作简单、合成快速，通过控制微波合成碳气凝胶催化剂的时间，探究碳气凝胶催化剂电催化氧还原制备双氧水选择性的影响，本发明专利技术的催化剂具有较好的疏水和电催化效果，在催化制备双氧水的反应中具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于微波作用下合成的碳气凝胶催化剂及其合成方法和应用
本专利技术属于材料制备
，具体涉及一种基于微波作用下合成的碳气凝胶催化剂及其合成方法和应用。
技术介绍
双氧水(过氧化氢)是一种重要的化学物质，在工业、医药、环保、军工、食品和环境等领域有着广泛的应用。他既有氧化性又有还原性并且使用后无二次污染，被定义为绿色化工产品。目前工业上大规模生产双氧水的最成熟的方法是蒽醌法，但蒽醌法不仅步骤繁琐，还会用到一些有机溶剂，对环境造成二次污染，因此寻找一种绿色高效的方法生产双氧水迫在眉睫。在电化学氧还原的反应(ORR)中，有两种反应途径：O2+2H++2e-→H2O2(1)O2+4H++4e-→2H2O(2)即反应转移4e-途径产生H2O(式1)和反应转移2e-途径产生H2O2(式2)，而催化剂的选择性是决定反应途径的关键因素之一。因此，选用一种合适的催化剂可以促进氧气还原反应的2e-途径，产生并积累大量H2O2，达到小规模高效绿色生产双氧水的目的。目前电催化氧化还原反应的高效催化剂，大部分都是选择4e-途径；只有贵金属及其合金、单原子催化剂、碳基材料、金属配合物等可以催化选择2e-途径，却价格昂贵，并且要精确控制催化剂的结构等，制备条件苛刻。碳气凝胶作为一种新型的碳材料，具有低密度，质量轻、比表面积大、孔隙率大、表面疏水、导电性较好等性质，在吸附、能量的转化与储存、电容器和催化剂等领域具有广泛的应用。目前制备碳气凝胶常用方法是常温常压干燥法，超临界干燥法等，超临界干燥法在理论上能够消除干燥过程中的表面张力，但其在高温高压环境下操作具有一定的危险性，且溶剂置换过程的周期长，需要将湿凝胶中的水替换为超临界干燥的介质(如二氧化碳、石油醚或乙醇等)，再将干燥介质排出，这一过程需要极其缓慢以避免破环介质的超临界状态。近年来研究比较火热的常压干燥法是将湿凝胶放入低表面张力系数的溶剂中反复浸泡，将湿凝胶中的水置换为低表面张力溶剂，在这个过程中不仅耗时长，而且需要使用数十倍乃至数百倍凝胶体积的溶剂，这些有机溶剂如乙醇、丙酮等多种有机溶剂，易挥发，有毒性且难回收，对环境造成较大的污染。
技术实现思路
针对现有技术中存在的上述问题，本专利技术的目的在于提供一种基于微波作用下合成的碳气凝胶催化剂及其合成方法和应用，本专利技术利用微波合成法代替常温搅拌法，优点在于操作简单、合成高效，且制得的催化剂具有较好的疏水性、稳定性和电催化性能，在应用于制备双氧水中具有良好的应用前景。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料加入水中并调节pH至5～7之间后，将反应液体系置于微波辐射环境下进行反应，反应结束后烘干，所得固体转移至管式炉中于氮气气氛下焙烧，即制得所述碳气凝胶催化剂产品。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于具体包括以下步骤：1)向烧杯中加入间苯二酚和去离子水溶剂，搅拌，加入甲醛溶液并搅拌均匀，然后用浓度为0.5～2mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至5～7之间；2)将步骤1)所得反应液体系转移至反应管中，再将反应管放置在微波合成仪中，开启微波合成仪进行微波辐射加热，使反应液体系升温至70～90℃下反应，微波辐射时间控制在10～30min，使反应管中反应形成湿凝胶；3)步骤2)反应结束后，将合成的湿凝胶从反应管转移到培养皿中，然后放入烘箱中烘干，干燥好的固体转移到瓷舟中，然后将瓷舟放置于管式炉中于氮气气氛下焙烧，焙烧结束后冷却至室温，用研钵充分研磨，即得最终的碳气凝胶催化剂。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤1)中，甲醛溶液的质量浓度在30～40％，优选为35～37％；间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.33～0.7:1，优选为0.5:1；间苯二酚的质量与去离子水溶剂的体积之比是1:3～8，优选为1:5，质量的单位是g，体积的单位是mL。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤1)中，氢氧化钠溶液的浓度为1mol/L，用氢氧化钠溶液调节pH至5.8～6.2。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤2)中，微波合成仪的运行功率控制在100～300W之间，优选200W；反应温度控制在85℃，微波辐射时间控制在15min。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤3)中，烘箱中干燥的温度在50～80℃，优选为60℃；干燥时间在8～18h，优选为12h。所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤3)中，管式炉中焙烧的过程为：从室温以3～10℃/min的升温速率升温至500～900℃，优选为600℃，然后恒温焙烧1～5h，优选为3h，最后自然降温至室温，即制得催化剂产品；其中，管式炉中焙烧的升温速率优选为5℃/min。按照上述方法合成的碳气凝胶催化剂。所述的碳气凝胶催化剂在电催化氧还原制备双氧水中的应用。通过上述技术制备的催化剂，与现有的催化剂相比，具备以下有益效果：本专利技术采用微波法制备碳气凝胶催化剂的过程，微波辐射被用作有机干凝胶合成中的加热源，使得所有阶段(凝胶化、老化和干燥)在一个简单快速的装置中进行操作简单，其耗时短，所制备得催化剂具有较好的选择性、优异的循环稳定性，良好的电化学活性。附图说明图1为本专利技术实施例1微波合成10min制备的10-CXGs-600的SEM图；图2为本专利技术实施例2微波合成15min制备的15-CXGs-600的SEM图；图3为本专利技术实施例3微波合成20min制备的20-CXGs-600的SEM图；图4为本专利技术实施例4微波合成25min制备的25-CXGs-500的SEM图；图5为本专利技术实施例5微波合成25min制备的25-CXGs-600的SEM图；图6为本专利技术实施例6微波合成30min制备的30-CXGs-500的SEM图；图7为本专利技术实施例7微波合成30min制备的30-CXGs-800的SEM图；图8为本专利技术实施例8微波合成30min制备的30-CXGs-600的SEM图；图9为本专利技术对比例1常温搅拌制备的CXGs-600的SEM图；图10为本专利技术对比例2常温搅拌制备的CXGs-800的SEM图；图11为本专利技术对比例3常温搅拌制备的CXGs-500的SEM图；图12为分别以实施例1-8的催化剂进行电催化反应时，反应的双氧水选择性与电压之间的关系曲线对比图；图13为分别以实施例1-8的催化剂进行电催化反应时，反应的电子转移数与电压之间的关系曲线对比图；图14为分别以对比例1-3的催化剂进行电催化反应时，反应的双氧水选择性与电压之间的关系曲线对比图；图15为分别以对比例1-3的催化剂进行电催化反应时，反应的电子转移数与电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料加入水中并调节pH至5 ~ 7之间后，将反应液体系置于微波辐射环境下进行反应，反应结束后烘干，所得固体转移至管式炉中于氮气气氛下焙烧，即制得所述碳气凝胶催化剂产品。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于包括以下步骤：以间苯二酚和甲醛为反应原料，以水为溶剂，将反应原料加入水中并调节pH至5~7之间后，将反应液体系置于微波辐射环境下进行反应，反应结束后烘干，所得固体转移至管式炉中于氮气气氛下焙烧，即制得所述碳气凝胶催化剂产品。


2.如权利要求1所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于具体包括以下步骤：
1）向烧杯中加入间苯二酚和去离子水溶剂，搅拌，加入甲醛溶液并搅拌均匀，然后用浓度为0.5~2mol/L的氢氧化钠溶液调节pH至5~7之间；
2）将步骤1）所得反应液体系转移至反应管中，再将反应管放置在微波合成仪中，开启微波合成仪进行微波辐射加热，使反应液体系升温至70~90℃下反应，微波辐射时间控制在10~30min，使反应管中反应形成湿凝胶；
3）步骤2）反应结束后，将合成的湿凝胶从反应管转移到培养皿中，然后放入烘箱中烘干，干燥好的固体转移到瓷舟中，然后将瓷舟放置于管式炉中于氮气气氛下焙烧，焙烧结束后冷却至室温，用研钵充分研磨，即得最终的碳气凝胶催化剂。


3.如权利要求2所述的一种基于微波作用下合成碳气凝胶催化剂的方法，其特征在于步骤1）中，甲醛溶液的质量浓度在30~40%，优选为35~37%；间苯二酚与甲醛的摩尔比为0.33~0.7:1，优选为0.5:1；间苯二酚的质量与去离子水溶剂的体积之比是1:3~8，优选为1:5，质量的单位是g，体积的单位是mL。


4.如权利要求2所述的一种基于微波作用下合成碳气凝...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，彭小革，张世杰，包志康，季文凯，丁磊，王国梁，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33