一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法及其应用，以富含氮元素的半枝莲、富含硼元素的硼酸以及乙二胺四乙酸镁二钠盐分别作为碳前驱体、杂原子掺杂剂和模板剂进行混合研磨，得到物料A；将物料A在惰性气体保护下由室温经60min升温至300℃保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B；再用盐酸溶液将物料B洗涤2

【技术实现步骤摘要】
一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于多孔碳材料的合成
，具体涉及一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]环境污染是当前人类面临的重大问题，严重阻碍了社会的发展和工业的进步。目前，亟待开发经济环保、高效的水污染处理技术以满足当前日益增长的需求。工业的迅速发展，伴随着大量的有机物进入生产中，导致大量的有机物排放到水体，严重威胁着人们的身体健康。以高毒性、难降解的有机污染物为主的工业废水已成为威胁人类健康不容小觑的问题。当前比较成熟的水处理技术有物理吸附、膜分离和电芬顿（electro
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Fenton简称EF）技术等。其中，研究人员将具有响应速度快、低毒性和降低污泥产生的EF技术广泛用于处理工业废水，因此EF法处理废水已经成为科学家研究的热点。因此，研究人员致力于设计和合成多功能碳材料，希望缓解能源危机和彻底解决水污染问题。
[0003]目前，杂原子掺杂碳材料因其具有超高比表面、多级孔结构、良好的电导性以及丰富的杂原子而广泛应用于能源和环境相关的电催化体系，特别电芬顿体系用于处理有机废水。氮掺杂碳基材料由于其具有可调的电子结构以及丰富的电化学活性位点，有助于提高材料的ORR电催化活性，引起了研究者们极大关注。据文献报道，磷原子的掺入能够活化周围碳原子的结构，氧还原反应创造了丰富的活性位点。Wu等人发现噻吩
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S基团有助于改善SC的电荷存储能力以及ORR的选择性和酸性条件下H2O2生成的选择性。综上所述，杂原子掺杂的碳材料具有多重协同作用，尤其是N，S，P三元掺杂可以协同产生独特的电子结构，并进一步改善碳基材的电容特性和电催化活性。近来，具有超高热稳定性，氮硼元素掺杂以及超高比表面积的多孔碳材料被视为理想的杂原子掺杂前驱体。另外，将各种非金属的掺杂剂（例如N，B，F，P，S等）整合到碳骨架中可以创造丰富的杂原子电化学活性位点。因此，利用富含杂原子掺杂剂，通过一步简单的高温热解反应制备的杂原子掺杂碳基材料是实现电极材料催化特性的有效途径。氮硼原子富独特的物理化学特性，满足催化材料的物理和化学结构。然而，目前关于杂氮硼原子掺杂碳基材料在电芬顿降解有机污染物方面的研究比较少，具有较高的研究前景。基于本课题组前期关于电化学以及对储能和催化材料构效关系的研究基础，致力于通过一步简单的热解反应，实现制备杂原子掺杂的多孔碳基电极材料，该电极材料兼具突出的电催化特性。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题为：其一、基于本课题组前期的研究工作，利用旋转圆盘电极测试电极材料电化学性能，为筛选电极材料的应用提供理论指导，通过计算将发生两电子转移的电极材料用于电芬顿；而将发生四电子转移的材料用于氧还原燃料电池，将盲目的尝试工作，上升至理论指导，极大地简化了筛选电极材料的尝试工作。其二、通过该项工作的展开，提供了一种制备工艺简单、成本低廉且环境友好的热解反应杂原子自掺杂策略
制备多级孔共存的杂原子掺杂多功能碳基催化剂的制备方法，该方法以富含氮元素的生物质半枝莲和富含硼元素的硼酸作为碳前驱体和杂原子掺杂剂作为反应原料，采用乙二胺四乙酸镁二钠盐作为模板剂，其在煅烧过程中分解为MgO、H2O、CO、CO2、NO
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等气体，经过酸洗被移除，制备了丰富孔结构的碳基电极材料。为了探究温度对碳基电极材料杂原子含量以及孔结构的影响，本专利技术尝试调整模板剂比例，以探究模板剂对于碳基电极材料性能的影响，该制备方法简单且易操作，有利于更好地推进电芬顿法降解有机污染物的大规模应用。
[0005]本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法，其特征在于具体过程为：步骤S1：将碳前驱体、杂原子掺杂剂和模板剂混合后研磨充分，获得物料A，其中碳前驱体为半枝莲，杂原子掺杂剂为硼酸，模板剂为乙二胺四乙酸镁二钠盐；步骤S2：将步骤S1得到的物料A转移至镍舟中并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经60min升温至330℃并保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至600℃并保持120min，然后自然冷却至室温得到物料B；步骤S3：将步骤S2得到的物料B用2M盐酸溶液洗涤2
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3次后于105℃干燥12h得到目标产物氮硼双掺杂多孔碳基电极材料，该氮硼双掺杂碳基电极材料的比表面积为800
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2400m2/g，且含有大量的微孔和介孔。
[0006]优选的，步骤S1中所述碳前驱体、杂原子掺杂剂和模板剂的投料质量比为1:2:0.5
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11。
[0007]优选的，步骤S2中所述惰性气体为氮气或氩气中的一种或多种。
[0008]本专利技术所述的氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：步骤S1：将1g碳前驱体半枝莲、2g杂原子模板剂硼酸和3g模板剂乙二胺四乙酸镁二钠盐混合均匀且研磨充分，获得物料A；步骤S2：将步骤S1得到的物料A转移至镍舟中并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经60min升温至330℃并保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至800℃并保持120min，然后自然冷却至室温得到物料B；步骤S3：将步骤S2得到的物料B用2M盐酸溶液洗涤2
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3次后于105℃干燥12h得到目标产物氮硼双掺杂多孔碳基电极材料，该氮硼双掺杂多孔碳基电极材料表现出超高的两电子酸性氧还原性能。
[0009]本专利技术所述的氮硼双掺杂多孔碳基电极材料作为酸性条件下的电芬顿阴极催化剂用于处理有机废水。
[0010]本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：1、本专利技术引入富含氮元素的半枝莲和富含硼元素的硼酸分别作为碳前驱体和杂原子掺杂剂，并以乙二胺四乙酸镁二钠盐作为模板剂使材料具丰富的孔结构，从而增加碳材料的比表面积和孔体积，进而暴露更多的活性位点，增强材料的催化降解活性，另外本专利技术的合成方法简单，普适性强；2、本专利技术用半枝莲和硼酸分别作为碳前驱体和杂原子掺杂剂，在碳前驱体的基础上原位引入了杂原子，不仅能够提高碳材料的亲水性和导电性，而且暴露了更多的活性位点，能够进一步增强所制备碳基电极材料的电化学性能；
3、本专利技术制得的氮硼双掺杂碳电极材料的比表面积为800
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2400m2/g，且在乙二胺四乙酸镁二钠盐的作用下调控碳材料，使其由原本的单一的孔结构调控为含有大量的微孔和孔径较小的多级孔结构，将其作为阴极材料应用到电芬顿体系中，能够高效降解有机污染物，且在使用的过程中不会造成二次污染，对环境友好。
附图说明
[0011]图1是实施例5制备的氮硼双掺杂碳基电极材料C5的场发射扫描电镜图；图2是实施例5制备的氮硼双掺杂碳基电极材料C5的XRD图；图3是实施例5制备的氮硼双掺杂碳基电极材料C5用于氮气吸脱附曲线图和孔径分布图；图4是实施例5制备的氮硼双掺杂碳基电极材料C5的拉曼图；图5是实施例5制备的氮硼双掺杂碳基电极材料C5用于EF体系的电子转移数图；图6是实施例1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法，其特征在于具体过程为：步骤S1：将碳前驱体、杂原子掺杂剂和模板剂混合后研磨充分，获得物料A，其中碳前驱体为半枝莲，杂原子掺杂剂为硼酸，模板剂为乙二胺四乙酸镁二钠盐；步骤S2：将步骤S1得到的物料A转移至镍舟中并置于管式炉中，在惰性气体氛围中先由室温经60min升温至330℃并保持120min，再以5℃/min的升温速率升温至600℃并保持120min，然后自然冷却至室温得到物料B；步骤S3：将步骤S2得到的物料B用2M盐酸溶液洗涤2
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3次后于105℃干燥12h得到目标产物氮硼双掺杂多孔碳基电极材料，该氮硼双掺杂碳基电极材料的比表面积为800
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2400m2/g，且含有大量的微孔和介孔。2.根据权利要求1所述的氮硼双掺杂多孔碳基电极材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中所述碳前驱体、杂原子掺杂剂和模板剂的投料质量比为1:2:0.5
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11。3.根据权利要求1所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，华朋朋，马中军，王红菊，武大鹏，高志永，蒋凯，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：