一种用于过氧化氢生产的Mn-CuS催化剂和方法技术

一种用于过氧化氢生产的Mn

【技术实现步骤摘要】
一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂和方法


[0001]本专利技术涉及过氧化氢生产中的过渡金属硫化物催化剂技术，特别是一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂和方法，所述Mn
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CuS(锰掺杂硫化铜)能够使得Mn
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CuS在实现H2O2(过氧化氢)的电化学合成中具有优异的选择性和H2O2的高产率，并且Mn
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CuS催化剂表现出非常好的循环稳定性，Mn
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CuS由于具有合成方案简单、环境友好、成本效益好等优点，有望广泛用于能源生产领域，对于其他2e
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ORR催化剂的设计具有启发意义。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)作为一种环境友好的化学氧化剂被广泛应用于环境处理和化学工业，包括废水处理、医疗消毒、造纸和纸浆漂白以及有机/无机化学合成。此外，由于H2O2具有高氧化电位、易于运输和储存、水副产品清洁等特点，还可以作为可持续能源载体替代燃料电池中的氧气(O2)和氢气(H2)。目前工业上大量生产H2O2主要采用蒽醌法。这种方法不仅涉及大量的能源和资源投入，而且需要后续复杂的提取、提纯和运输处理。此外，这种方法还会产生大量的废液。因此，这条路线不是一种经济和环保的方法。另一种途径是使用H2和O2的混合物直接合成H2O2。然而，这种方法在热力学上有利于水的产生而不是H2O2的产生，该反应通常需要使用贵金属基催化剂。此外，H2O2的选择性较差和产率相对较低。而且，原料H2和O2的混合物也有爆炸的潜在危险。为了解决上述问题，出现了另一种直接有效的生产H2O2的方法，它基于阴极的电驱动氧还原反应(ORR)和基于质子耦合电子转移(PCET)的阳极的水氧化反应(WOR)。然而，由于上坡热力学和缓慢的动力学(1.76V)，电化学WOR本身很难实现，H2O2的产率极低。因此，目前的大部分研究主要集中在ORR反应上。通常，阴极的ORR涉及多电子转移过程，其中O2可以通过四电子路径(4e
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ORR)或两电子路径(2e
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ORR)还原为H2O。在这两种途径中，4e
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ORR受到广泛关注，而2e
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ORR电化学合成H2O2成为新兴领域。近年来，以化学合成为目的的直接电化学2e
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ORR制备H2O2开始受到越来越多的关注。然而4e
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ORR路径是2e
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ORR路径电化学合成H2O2的强烈竞争反应，显著限制了H2O2生产的活性和选择性。因此，通过电化学2e
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ORR高效生产H2O2仍然是一个重大挑战。开发具有高催化活性、良好选择性、优异稳定性和成本效益的催化剂，专门用于2e
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ORR路径制备H2O2已成为一个紧迫的问题。
[0003]在初期研究中，大多数用于生产H2O2的2e
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ORR路径催化剂主要由昂贵的贵金属基材料制成。后来，碳基材料也开始用作2e
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ORR路径催化剂。对于碳材料，具有结构多样性和电化学稳定性的碳缺陷位点至关重要。对于碳基材料，其可调节的孔结构、固有缺陷、良好的导电性、高表面积和优异的稳定性使其非常适用于酸/碱电解质中的电化学2e
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ORR路径。Bao及其同事开发了具有不同孔径范围的多孔碳，用于在碱性介质中电化学合成H2O2，该催化剂显示出对H2O2的高选择性。近年来，过渡金属基材料(主要是第一排元素如Fe、Co、Ni、Cu和Mn)因其优异的性能而备受关注，并已被开发为2e
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ORR路径的电催化剂。某些类型的金属氧化物/硫化物在电化学H2O2生产中也表现出优异的性能。Li和同事合成了一种高浓度的单原子Pt位点催化剂，得到的Pt/CuSx催化剂在0.1M HClO4中以92
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96％的选择性实现了
H2O2的生产，但H2O2的积累量不是很多。Yumauchi等人研究发现纳米多孔Mn
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Ru氧化物作为一种有前途的催化剂，也可以用于在0.1M KOH溶液中电化学合成H2O2，该催化剂表现出优异的长期稳定性。最近，Kim及其同事开发了一种用于电化学合成H2O2的介孔C/Mn混合电催化剂(Mn
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O/N@NCs)。他们发现纳米晶体(NCs)上Mn
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Nx位点的均匀分布可以促进2e
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ORR路径，而不含Mn的N掺杂C可以促进4e—ORR路径，Mn的存在显著抑制H2O2的分解。因此，对过渡金属基催化剂进行适当的表面功能化，包括提高比表面积和电导率，引入缺陷和分级多孔结构以及金属原子掺杂，设计和形成具有清晰金属位点的单原子催化剂等，可以实现H2O2的电化学合成。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中的不足，提供一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂和方法，所述Mn
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CuS(锰掺杂硫化铜)能够使得Mn
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CuS在实现H2O2(过氧化氢)的电化学合成中具有优异的选择性和H2O2的高产率，并且Mn
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CuS催化剂表现出非常好的循环稳定性，Mn
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CuS由于具有合成方案简单、环境友好、成本效益好等优点，有望广泛用于能源生产领域，对于其他2e
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ORR催化剂的设计具有启发意义。
[0005]本专利技术的技术解决方案如下：
[0006]一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂，其特征在于，Mn
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CuS中各元素含量以wt％计，Mn＝11.8～25.69，Cu＝43.97～33.35，S＝44.23～37.7。
[0007]所述Mn
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CuS呈珊瑚状分级多孔纳米片簇微观结构。
[0008]一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂制备方法，其特征在于，包括以氯化铜、氯化锰、和硫代乙酰胺(TAA)为原料通过一锅水热法反应合成Mn
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CuS。
[0009]所述氯化铜为CuCl2·
2H2O，所述氯化锰为MnCl2·
4H2O，所述Mn
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CuS呈珊瑚状分级多孔纳米片簇微观结构。
[0010]合成Mn
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CuS催化剂包括以下步骤：
[0011]步骤1，将CuCl2·
2H2O、MnCl2·
4H2O、乙二醇和去离子水搅拌混合成第一混合液；
[0012]步骤2，在磁力搅拌下将硫代乙酰胺(TAA)加入到第一混合液中形成第二混合液；
[0013]步骤3，将第二混合液在不锈钢高压釜中加热反本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂，其特征在于，Mn
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CuS中各元素含量以wt％计，Mn＝11.8～25.69，Cu＝43.97～33.35，S＝44.23～37.7。2.根据权利要求1所述的用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂，其特征在于，所述Mn
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CuS呈珊瑚状分级多孔纳米片簇微观结构。3.一种用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂制备方法，其特征在于，包括以氯化铜、氯化锰、和硫代乙酰胺TAA为原料通过一锅水热法反应合成Mn
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CuS。4.根据权利要求3所述的用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂制备方法，其特征在于，所述氯化铜为CuCl2·
2H2O，所述氯化锰为MnCl2·
4H2O，所述Mn
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CuS呈珊瑚状分级多孔纳米片簇微观结构。5.根据权利要求3所述的用于过氧化氢生产的Mn
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CuS催化剂制备方法，其特征在于，合成Mn
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CuS催化剂包括以下步骤：步骤1，将CuCl2·
2H2O、MnCl2·
4H2O、乙二醇和去离子水搅拌混合成第一混合液；步骤2，在磁力搅拌下将硫代乙酰胺TAA加入到第一混合液...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡仲雨，张傲，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：