一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法和应用，所述的模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔材料的制备方法为：以三聚氰胺和碳源为前驱体，上风口的三聚氰胺高温受热分解产生的气体与下风口的碳源反应，即可得到所述的氮掺杂微孔碳材料。本发明专利技术采用的模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料，作为新的制备方法首次应用于电催化氧还原产双氧水行业，并且经过旋转环盘电极(RRDE)和Flow

【技术实现步骤摘要】
一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法和应用


[0001]本专利技术属于材料制备与应用
，具体涉及一种模拟气相沉积法制备微孔氮掺杂碳材料的制备方法和其应用。

技术介绍

[0002]双氧水(H2O2)作为世界上100种基础的化工产品之一，是一种绿色无污染的氧化剂，在漂白、纺织、废水处理、消毒、半导体制备等领域有着广泛的应用。2016年时世界产量就达到了600万吨级，这足以证明其重要性。传统的并且被广泛采用的双氧水制备工艺是间接蒽醌法，这种方法需要将烷基蒽醌与有机溶剂形成工作液后与H2进行反应加氢，将氢化的烷基蒽醌转入氧化塔实现O2的氧化再用水进行双氧水的萃取从而间接制备双氧水，这种工艺方法需要大规模的设备和提供大量的能量，并且原料存在一定的危害性，生产中伴随大量废料污染环境。因此寻找一种绿色高效的方法生产双氧水迫在眉睫。
[0003]近年来电催化选择性氧还原反应(2e
‑
ORR)为原位产双氧水提供了广阔的前景，因为这种方案可以有效地解决间接蒽醌法中存在的问题(成本，安全，环保等)。在2e
‑
ORR中，涉及到竞争反应，O2可以在4e
‑
过程中转变成H2O，而催化剂是决定反应途径的关键因素之一。因此，选用一种具有高效选择性和活性的催化剂可以有效促进2e
‑
途径抑制竞争反应，产生并积累大量双氧水，达到原位产双氧水的要求。
[0004]目前2e
‑
ORR所使用的催化剂基本上为贵金属及其合金、单原子催化剂、碳基材料和过渡金属等，但它们价格昂贵或者制备条件苛刻，无法满足原位利用的要求。其中碳基材料由于结构可调而且储量丰富被广泛研究，但是目前在其精准制备具有特定杂原子掺杂和官能团的方法仍然缺乏。因此亟需探索一种能够精准调控的快速制备方法，以满足原位产双氧水的要求。
[0005]众所周知气相沉积法对设备和原料要求比较苛刻，存在一定缺点。但可以利用气相沉积的概念进行改进，采用不同的原料制备具有不同元素的材料，并且能够精准的控制原料来调控所需的材料。最终用于探究氮掺杂微孔碳材料的制备方法以及其在电催化氧还原方面的应用。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的上述技术问题，本专利技术的目的在于提供一种模拟气相沉积法制备微孔氮掺杂碳材料的制备方法及其应用。
[0007]本专利技术限定了一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法，其特征在于以三聚氰胺和碳源为前驱体，高温下三聚氰胺受热分解生成气体，气体与碳源在高温下反应，得到氮掺杂微孔碳材料，进一步限定了所述方法具体包括以下步骤：
[0008]1)以三聚氰胺和碳源原料为前驱体，分别置于两个带盖瓷舟中；
[0009]2)将两个带有前驱体的瓷舟置于管式炉中，且盛有三聚氰胺前驱体的瓷舟放置于盛有碳源的瓷舟上游；通入N2，在N2气氛下高温煅烧，煅烧结束后自然冷却至室温，取出下游
瓷舟内的产物并进行充分研钵研磨，制得产物氮掺杂微孔碳材料。
[0010]进一步地，本专利技术还限定了步骤1)中的碳源为纤维素粉、木聚糖、葡萄糖或果糖，优选为纤维素粉；三聚氰胺和碳源的质量比为0.5～2：0.5～2。
[0011]进一步地，本专利技术还限定了步骤2)中的高温煅烧过程为：以2～10℃/min的升温速率从室温升温至500～900℃，再保温维持2～5h，随后自然冷却降温。
[0012]本专利技术还限定了通过采用上述方法的制备得到的氮掺杂微孔碳材料。
[0013]更进一步地，本专利技术还限定了所述的氮掺杂微孔碳材料作为催化剂在电催化反应制备双氧水中的应用，具体为：以电化学工作站为电化学发生装置，采用三电极测量体系，将氮掺杂微孔碳材料涂覆在旋转环盘电极上作为工作电极，以铂丝作为对电极，饱和甘汞作为参比电极，以KOH水溶液作为电解液，进行选择性电化学氧还原反应，检测双氧水产品。
[0014]本专利技术还限定了所述工作电极的制备方法为：将氮掺杂微孔碳材料加入nafion溶液和无水乙醇的混合液中，超声分散均匀后，将分散液均匀旋涂在旋转环盘电极的玻碳区域上，烘干得到对应的工作电极。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0016]1)本专利技术以三聚氰胺和碳源为前驱体，按照一定上下游顺序在高温氮气保护气氛下直接进行热解作用，模拟化学气相沉积法制备具有高活性电催化产双氧水的氮掺杂碳材料，通过有机元素分析(EA)可发现本专利技术热解产生的氮掺杂微孔碳材料中，除了C和O元素，还存在N元素，与传统的碳基材料相比，本专利技术制备出的氮掺杂微孔碳材料具有微孔结构；
[0017]2)本专利技术的氮掺杂微孔碳材料用于电催化产双氧水，经研究，2e
‑
ORR的选择性高达95.9％，这表明本专利技术的氮掺杂微孔碳材料在电化学氧还原反应制备双氧水的生产中具有较好的选择活性；
[0018]3)本专利技术首次采用模拟化学气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料，并将所得的氮掺杂微孔碳材料首次应用于电化学选择性氧还原产双氧水行业，经过RRDE和Flow
‑
Cell设备的检测发现具有很好的选择性和产率，利于原位产双氧水的工业应用。
附图说明
[0019]图1a为实施例1制得的氮掺杂微孔碳材料在10μm下的SEM图；
[0020]图1b为实施例2制得的氮掺杂微孔碳材料在10μm下的SEM图；
[0021]图1c为实施例3制得的氮掺杂微孔碳材料在10μm下的SEM图；
[0022]图1d为实施例4制得的氮掺杂微孔碳材料在10μm下的SEM图；
[0023]图2为本专利技术实施例1～4制得的氮掺杂微孔碳材料的微孔孔径分布汇总图；
[0024]图3为本专利技术实施例1～4制得的氮掺杂微孔碳材料在电催化产双氧水应用中的线性扫描伏安法(LSV)图；
[0025]图4为本专利技术实施例1～4制得的氮掺杂微孔碳材料在旋转环盘电极测试中对双氧水选择性情况汇总图；
[0026]图5为本专利技术所使用的Flow
‑
cell电解槽示意图；
[0027]图6为本专利技术实施例1～4制得的氮掺杂微孔碳材料在Flow
‑
cell电解槽中测试电催化产双氧水的产率性能图；
[0028]图7为本专利技术实施例1制得的氮掺杂微孔碳材料在电催化产双氧水应用中的寿命
测试(i
‑
t)结果图；
[0029]图5中：1
‑
带流道氧气流动槽；2
‑
阴极流动槽；3
‑
阳极流动槽；4
‑
端板；5
‑
扩散层阴极电极；6
‑
质子交换膜；7
‑
阳极电极。
具体实施方式
[0030]下面结合具体实施例对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围并不限于此。
[0031]实施例1：一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料(N
‑
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法，其特征在于以三聚氰胺和碳源为前驱体，高温下三聚氰胺受热分解生成气体，气体与碳源在高温下反应，得到氮掺杂微孔碳材料。2.根据权利要求1所述的一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法，其特征在于具体包括以下步骤：1)以三聚氰胺和碳源原料为前驱体，分别置于两个带盖瓷舟中；2)将两个带有前驱体的瓷舟置于管式炉中，且盛有三聚氰胺前驱体的瓷舟放置于盛有碳源的瓷舟上游；通入N2，在N2气氛下高温煅烧，煅烧结束后自然冷却至室温，取出下游瓷舟内的产物并进行充分研钵研磨，制得产物氮掺杂微孔碳材料。3.根据权利要求2所述的一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法，其特征在于步骤1)中的碳源为纤维素粉、木聚糖、葡萄糖或果糖，优选为纤维素粉。4.根据权利要求2所述的一种模拟气相沉积法制备氮掺杂微孔碳材料的方法，其特征在于步骤1)中三聚氰胺和碳源的质量比为0.5～2：0.5～2。5.根据权利要求2所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王建国，包志康，张世杰，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：