负载镁单原子的碳基材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种负载镁单原子的碳基材料及其制备方法与应用。所述制备方法包括使包含碳源及络合剂、镁源、模板剂的混合反应体系进行反应，制得碳基材料前驱体，以及对所述碳基材料前驱体进行煅烧、水洗处理，制得负载镁单原子的碳基材料。本发明专利技术提供的负载镁单原子的碳基材料的制备方法简单，原料易得，产物结构明确且稳定，能够高效催化二电子氧气还原反应生成过氧化氢，尤其是在高过电位的加持下有良好的选择性，是一种电压窗口较宽、高效、环保的非均相催化剂。的非均相催化剂。的非均相催化剂。

【技术实现步骤摘要】
负载镁单原子的碳基材料及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于催化
，涉及一种负载镁单原子的碳基材料及其制备方法与应用，尤其涉及一种在电解池中发生的二电子氧气还原反应选择性生成过氧化氢且在施加较高的过电位时仍具有较高反应活性、反应选择性的负载镁单原子的碳基催化剂及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢又名双氧水(H2O2)，是一种非常重要的环境友好型化学品，近年来在各种应用中的需求迅速增长，目前工业上采用蒽醌法来大规模生产过氧化氢，这个多步骤的过程能耗高、污染严重并且需要大型的生产设备，同时，高浓度的H2O2不稳定容易分解，其运输过程中存在极大的安全隐患。电催化二电子氧还原反应(2e
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ORR)作为一种低成本、小规模、分布式、绿色环保的制备H2O2的替代技术引起了越来越多的关注。
[0003]氧气分子可以在水溶液中通过4e
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途径还原为H2O，也可以通过2e
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途径还原为H2O2。开发高效2e
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ORR催化剂的关键在于反应催化中心与反应中间体OOH*的适当的结合强度。过强的相互作用会导致OOH*脱附困难，更加倾向于4e
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路径生成H2O，而过弱的相互作用会导致活性下降甚至无法产生H2O2。因此，理想的2e
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催化剂应该具有合适的电子结构以能够拥有合适的OOH*与催化活性位之间的吸/脱附强度，拥有良好的活性的同时也拥有优秀的选择性和稳定性。
[0004]在传统的电催化剂催化氧气发生二电子还原生成双氧水的过程中，通常存在的问题是在施加较高的过电位，即体系通过较大的电流密度时，二电子和四电子的竞争会向四电子生成H2O的方向偏移，过氧化氢的选择性会有较大程度的降低，致使可选用的电压窗口较窄，体系内的电流密度较小，无法实现在较大的电流密度下高选择性的生成H2O2。因此，开发一种在高过电位下仍然具有高选择性的电催化剂是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种负载镁单原子的碳基材料及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
[0006]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]本专利技术提供了一种负载镁单原子的碳基材料的制备方法，其包括：
[0008]使包含碳源及络合剂、镁源、模板剂的混合反应体系进行反应，制得碳基材料前驱体。
[0009]对所述碳基材料前驱体进行煅烧、水洗处理，制得负载镁单原子的碳基材料。
[0010]本专利技术的另一目的在于提供了由上述制备方法制得的负载镁单原子的碳基材料。
[0011]本专利技术还提供了所述负载镁单原子的碳基材料作为催化剂在制备过氧化氢的反应中的应用。
[0012]此外，本专利技术还提供了一种电催化氧还原生成过氧化氢的催化剂，其包括所述负
载镁单原子的碳基材料。
[0013]与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少在于：
[0014]1)本专利技术提供的负载镁单原子的碳基材料，不含有贵金属，使用廉价无毒的单宁酸、蔗糖取代乙酰丙酮等昂贵的化合物，显著降低了催化剂的制备成本。
[0015]2)本专利技术提供的负载镁单原子的碳基材料中镁元素的原子化分布使镁原子得到最大利用效率，有效改变相邻C上的电子构型，有效改变对中间体OOH*的吸附能，使得该催化剂展现出优良的ORR催化性能特别是在高过电位下依然保持较高选择性。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0017]图1是本专利技术实施例1中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C的XRD图。
[0018]图2是本专利技术实施例1中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C的SEM图。
[0019]图3是本专利技术实施例1中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C的TEM图。
[0020]图4是本专利技术实施例1中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C的球差矫正透射图。
[0021]图5是本专利技术实施例1、实施例4中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C、SUC
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Mg
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O
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C在0.1M NaOH(pH＝13)中的电流曲线图。
[0022]图6是本专利技术实施例1、实施例4中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C、SUC
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Mg
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O
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C在0.1M NaOH(pH＝13)中的选择性图。
[0023]图7是本专利技术实施例l、实施例4中负载镁单原子的碳基材料Mg
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O
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C、SUC
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Mg
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O
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C在0.1M NaOH(pH＝13)中的电子转移数图。
具体实施方式
[0024]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，其主要是使碳源及络合剂、镁源、模板剂进行反应，对冷冻干燥后的碳基材料前驱体进行煅烧、水洗，以获得负载镁单原子的碳基材料。
[0025]如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。但是，应当理解，在本专利技术范围内，本专利技术的上述各技术特征和在下文(实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以相互结合，从而构成新的或者优选的技术方方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
[0026]作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种负载镁单原子的碳基材料的制备方法包括：
[0027]使包含碳源及络合剂、镁源、模板剂的混合反应体系进行反应，制得碳基材料前驱体；
[0028]对所述碳基材料前驱体进行煅烧、水洗处理，制得负载镁单原子的碳基材料。
[0029]在一些具体的实施例中，所述负载镁单原子的碳基材料的制备方法具体包括：
[0030]将碳源及络合剂溶解于水中，15～30℃下搅拌1～2h，得到碳源及络合剂溶液；
[0031]将镁源与碳源及络合剂溶液混合，并超声分散1～2h，得到均匀的混合溶液；
[0032]将模板剂水溶液加入到所述混合溶液中超声分散1～2h，再对所获反应产物进行冷冻干燥处理，制得所述碳基材料前驱体。
[0033]在一些具体的实施例中，所述碳源及络合剂包括单宁酸、蔗糖中的任意一种或两种的组合，以单宁酸作为碳源以及络合剂，单宁酸与镁离子络合生成的单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种负载镁单原子的碳基材料的制备方法，其特征在于，包括：使包含碳源及络合剂、镁源、模板剂的混合反应体系进行反应，制得碳基材料前驱体；对所述碳基材料前驱体进行煅烧、水洗处理，制得负载镁单原子的碳基材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，包括：将碳源及络合剂溶解于水中，15～30℃下搅拌1～2h，得到碳源及络合剂溶液；将镁源与碳源及络合剂溶液混合，并超声分散1～2h，得到均匀的混合溶液；将模板剂水溶液加入到所述混合溶液中超声分散1～2h，再对所获反应产物进行冷冻干燥处理，制得所述碳基材料前驱体。3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述碳源及络合剂包括单宁酸、蔗糖中的任意一种或两种的组合；和/或，所述镁源包括氯化镁、乙酸镁中的任意一种或两种的组合；和/或，所述模板剂包括氯化钠、氯化钾中的任意一种或两种的组合。4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述水与碳源及络合剂的摩尔比为400～500∶1；和/或，所述碳源及络合剂溶液中的水与镁源的摩尔比为1200～1400∶1；和/或，所述模板剂水溶液中的水与模板剂的摩尔比为4.5～7...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨昆尚，陈亮，杨其浩，陆之毅，林贻超，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：