多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料及其制备方法和应用，所述复合材料包括无定形碳基底和以单原子形式均匀分散并负载在所述无定形碳基底上的N元素，所述无定形碳基底包括多孔炭块和扭曲褶皱均匀分布在所述多孔炭块之间的石墨烯纳米片，N元素作为掺杂元素引入石墨烯纳米片的碳骨架上得到多个吡咯N位点。所述复合材料具有丰富且无序的介孔及非晶态结构，可用于经济、高效、小规模制备过氧化氢。模制备过氧化氢。模制备过氧化氢。

【技术实现步骤摘要】
多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及电催化材料
，特别是涉及一种多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)是一种非常重要的化学物质，在消毒、漂白剂、水处理等一系列工业和医疗保健领域有着广泛的应用。特别是新冠肺炎疫情的流行，对H2O2消毒剂的需求越来越大。目前工业生产H2O2主要采用传统的蒽醌氧化法(AOP)，能耗高，污染严重。此外，为了降低运输成本，生产的H2O2通常以高浓度形式存在，这必然会带来额外的安全风险。
[0003]开发一种小型化、分布式、节能的H2O2生产工艺对H2O2相关产业的可持续发展具有重要和迫切的意义。因此，电催化二电子氧还原反应(2e
‑
‑
ORR)因其节能环保的特点被认为是替代传统AOP的一种很有前途的方法。在2e
‑
‑
ORR制H2O2过程中，电催化剂起着关键作用，从根本上决定了整个过程的选择性、产率和稳定性。因此，探索具有上述特点的先进电催化剂已成为该领域的一个重要课题。
[0004]目前，由于多位点催化剂不仅可以增加活性中心的数量，而且可以广泛的调节材料表面的电子结构，有效的优化各种反应物和中间体的吸附，使其备受人们的关注。其中，对于2e
‑
‑
ORR，研究主要集中在具有多金属原子配位的活性中心的构建，包括同核和异核金属原子。但这些金属基多位点催化剂的内在问题可能对进一步提高其催化能力构成显著的阻抗。
[0005]首先，与金属基催化剂类似，多位点催化剂在电催化反应中也容易被钝化，特别是被各种含氧物质钝化。此外，由于金属原子容易聚集，催化剂表面的多金属活性中心的密度很难达到足够高的水平。因此，尽管这些金属基多位点催化剂通常显示高活性(2e
‑
‑
ORR)，使其具有非常低的过电位和高选择性，但他们往往无法达到满意的过氧化氢产率和电催化的耐久性。在这种情况下，构建基于非金属活性中心的多位点催化剂可能是解决上述问题的可行方法。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对现有技术中存在的催化剂活性位点少等问题，而提供一种多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料。
[0007]本专利技术的另一目的，提供所述多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料的制备方法。
[0008]本专利技术的另一目的，提供所述多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料在电催化氧还原制备过氧化氢中的应用。
[0009]为实现本专利技术的目的所采用的技术方案是：
[0010]一种多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，包括无定形碳基底和以单原子形式均匀分散并负载在所述无定形碳基底上的N元素，其中，所述无定形碳基底包括多孔炭块和
扭曲褶皱均匀分布在所述多孔炭块之间的石墨烯纳米片，N元素作为掺杂元素引入石墨烯纳米片的碳骨架上得到多个吡咯N位点。
[0011]在上述技术方案中，所述无定形碳基底上存在丰富且无序的介孔，孔径在20～50nm之间，所述无定形碳基底的比表面积为520
‑
540m
2 g
‑1。
[0012]在上述技术方案中，所述多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料通过下述步骤制备：
[0013]步骤1，将介孔软模板和碳源在溶剂中溶解，连续搅拌，即得到介孔碳混合前驱体；
[0014]步骤2，将步骤1制备得到的介孔碳混合前驱体和作为层状限域模板的氮前驱体混合搅拌均匀后，混合物自然晾干，固化加热，得到混合物；
[0015]步骤3，将步骤2制备得到的混合物在充有保护气体的管式炉中碳化，研磨，即得到固体粉末；
[0016]步骤4，洗涤步骤3制备得到的固体粉末，干燥，即得到多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料。
[0017]在上述技术方案中，在步骤1中所述介孔软模版为F127或F123，所述碳源为酚醛树脂，所述溶剂为乙醇。
[0018]在上述技术方案中，在步骤1中所述碳源与所述介孔软模版的质量比为1：(0.2
‑
1)。
[0019]在上述技术方案中，在步骤2中所述氮前驱体为三聚氰胺。
[0020]在上述技术方案中，所述氮前驱体与所述碳源的质量比为(0
‑
10):1，且氮前驱体的质量不为0。
[0021]在上述技术方案中，在步骤2中所述固化的方法为放置在电热干燥箱中固化，固化的温度90
‑
110℃，固化的时间为12
‑
36h；
[0022]在上述技术方案中，在步骤3中所述的保护气体为N2，碳化温度为800
‑
1000℃，碳化时间为1
‑
4h。
[0023]在上述技术方案中，所述步骤4中利用去离子水洗涤。
[0024]本专利技术的另一方面，所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料作为催化剂在电催化氧还原制备过氧化氢中的应用。
[0025]在上述技术方案中，将所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料均匀分散在含nafion、异丙醇与水的混合溶液中，获得浓度为2
‑
10mg/mL的浆料滴涂在旋转圆盘电极上的玻碳电极，并于室温晾干，得到负载有多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料的玻碳电极，配制0.1M的KOH的水溶液为电解液，以所述的负载有多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料的玻碳电极为工作电极，以碳棒片为对电极，以Ag/AgCl电极为参比电极，以Pt为对电极，电催化氧还原制备过氧化氢。
[0026]在上述技术方案中，所述nafion、异丙醇与水的体积比为(3
‑
5)：20：(75
‑
77)。
[0027]本专利技术的另一方面，多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料的制备方法，包括以下步骤：
[0028]步骤1，将介孔软模板和碳源在溶剂中溶解，连续搅拌，即得到介孔碳混合前驱体，作为优选的，所述介孔软模版为F127或F123，所述碳源为酚醛树脂，所述溶剂为乙醇，所述碳源与所述介孔软模版的质量比为1：(0.2
‑
1)；
[0029]步骤2，将步骤1制备得到的介孔碳混合前驱体和作为层状限域模板的氮前驱体混合搅拌均匀后，混合物自然晾干，固化加热，得到混合物，作为优选的，所述氮前驱体为三聚氰胺，所述氮前驱体与所述碳源的质量比为(0
‑
10):1，且氮前驱体的质量不为0，固化的温度90
‑
110℃，固化的时间为12
‑
36h；
[0030]步骤3，将步骤2制备得到的混合物在充有保护气体的管式炉中碳化，研磨，即得到固体粉末，作为优选的所述的保护气体为N2，碳化温度为800
‑
1000℃，碳化时间为1
‑
4h；
[0031]步骤4，将步骤3制备得到的固体粉末用去离子水反复洗涤，然后干燥，即得到多个吡咯氮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，包括无定形碳基底和以单原子形式均匀分散并负载在所述无定形碳基底上的N元素，其中，所述无定形碳基底包括多孔炭块和扭曲褶皱均匀分布在所述多孔炭块之间的石墨烯纳米片，N元素作为掺杂元素引入石墨烯纳米片的碳骨架上得到多个吡咯N位点。2.如权利要求1所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，所述无定形碳基底上存在丰富且无序的介孔，孔径在20～50nm之间，所述无定形碳基底的比表面积为520
‑
540m
2 g
‑1。3.如权利要求1所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，所述多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料通过下述步骤制备：步骤1，将介孔软模板和碳源在溶剂中溶解，连续搅拌，即得到介孔碳混合前驱体；步骤2，将步骤1制备得到的介孔碳混合前驱体和作为层状限域模板的氮前驱体混合搅拌均匀后，混合物自然晾干，固化加热，得到混合物；步骤3，将步骤2制备得到的混合物在充有保护气体的管式炉中碳化，研磨，即得到固体粉末；步骤4，洗涤步骤3制备得到的固体粉末，干燥，即得到多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料。4.如权利要求3所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，在步骤1中所述介孔软模版为F127或F123，所述碳源为酚醛树脂，所述溶剂为乙醇，所述碳源与所述介孔软模版的质量比为1：(0.2
‑
1)。5.如权利要求3所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，在步骤2中所述氮前驱体为三聚氰胺，所述氮前驱体与所述碳源的质量比为(0
‑
10):1，且氮前驱体的质量不为0。6.如权利要求3所述的多个吡咯氮共存的石墨烯介孔复合材料，其特征在于，在步骤2中所述固化的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁骥，贾晶晶，彭威，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：