一种碳材催化电极材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供的碳材催化电极材料的制备方法，可以形成内核为低表面功函数的金属

【技术实现步骤摘要】
一种碳材催化电极材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术涉及催化电极材料
，尤其涉及一种碳材催化电极材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着人类科技的不断发展与进步，能源和环境已成为决定我们可持续未来的关键问题，低能耗、高效率物质转换技术的开发变得越来越重要，电催化反应技术因能源效率高、设备制造简单、易于操作，在如涉及水分解、人工光合作用的可再生能源亦或在化工废水废弃处理的环境治理的反应中，其应用越来越广泛。电催化技术的关键在于催化电极的设计与开发。在众多电催化材料中，由于碳材料具有良好的稳定性、良好的电子导电性、易于制备理想的多孔结构，已成为一种非常有吸引力的催化剂载体材料。碳本身并无催化功能，通过对碳源进行杂原子掺杂，在碳化过程中形成炭骨架缺陷的同时产生高能键位，不仅可以设计高性能碳材料的多级孔、中空或其他特殊结构，而且还可改善碳材料的酸碱性、浸润性以及反应物或产物分子的活化能，调变其氧化还原性质，从而实现催化性能。
[0003]目前，制备特殊结构碳材料采用的方法多为水热碳化和模板碳化酸刻蚀，但是，这两种工艺的特点决定了所做出的碳材料多为粉状或颗粒状，大大限制了其在电极方面应用。现有的电极成型工艺主要有两种：一种是直接成型方法，即把原材料直接以干粉状态混合处理，然后通过压膜机辊压成一定厚度的膜，再把膜与导电支撑基材复合在一起形成电极，这种直接成型方法的工艺设备要求太高，其实际应用并未得到太大改观；另一种为湿法工艺，即把各种电极粉状原材料与溶剂混合，搅拌形成浆料，涂布在导电支撑基材上，或直接采用热塑性粘结剂热压成型，这种湿法工艺最为普遍和成熟，但此工艺在配制粘结剂时需要加入乙炔黑作为导电剂以减少粘结剂对碳材的包覆，虽然能改善因粘结剂引入使得电极密度减小而导致的导电性差的问题，但此种成型工艺却难以消除因溶胀而导致的机械性能和催化性能的下降。因此，开发一种在低电位下高法拉第效率和选择性、高机械稳定性的催化电极成为了解决电催化技术商业化应用滞后的关键技术。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种碳材催化电极材料及其制备方法和应用，本专利技术提供的方法制备的碳材催化电极材料，在低电位下法拉第效率高(即活性高)和选择性高、且机械稳定性高。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种碳材催化电极材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007](1)将非离子表面活性剂、硅溶胶、功函数调控材料、稀土盐和乙醇水溶液混合后，依次进行调节pH、调节黏度和静置，得到功函数调控溶胶；
[0008](2)利用真空浸渍机，将生物质粉末浸渍到所述步骤(1)得到的功函数调控溶胶中，然后将浸渍后的生物质粉末进行真空干燥，得到生物质负载材料；
[0009](3)将所述步骤(2)得到的生物质负载材料与乙醇、水和氨水混合后，再加入正硅酸乙酯进行第一分散，得到第一分散液；
[0010]向所述第一分散液中加入含酚类物质、胺类物质、吡咯和乙醇的混合溶液后，进行第二分散，得到第二分散液；
[0011]向所述第二分散液中加入甲醛溶液，进行第三分散，然后依次进行固液分离、洗涤、干燥和磨粉，得到中间体；
[0012](4)将所述步骤(3)得到的中间体和碱溶液混合后，依次进行水热反应和冷冻干燥，得到富碳化前驱体；
[0013](5)将所述步骤(4)得到的富碳化前驱体与粘结剂、过渡金属、第三周期部分元素、碳化物和羧甲基纤维素混合后，依次进行球磨和热挤压成型，得到坯体；
[0014](6)将所述步骤(5)得到的坯体依次进行烧结和刻蚀，得到碳材催化电极材料。
[0015]优选地，所述步骤(1)功函数调控材料为Cs、Rb、Sm和Sr的硝酸盐、硫酸盐或盐酸盐中的一种或多种。
[0016]优选地，所述步骤(1)中调节黏度至5～12mPa
·
S。
[0017]优选地，所述步骤(2)中浸渍的真空度为0.050～0.12MPa。
[0018]优选地，所述步骤(4)中水热反应的温度为110～190℃，所述水热反应的时间为5～11h。
[0019]优选地，所述步骤(5)中富碳化前驱体、粘结剂、过渡金属、第三周期部分元素、碳化物、羧甲基纤维素的质量比为5:(1～4):(0.1～0.5):(0.1～0.7):(0.05～0.6):(0.1～0.6)。
[0020]优选地，所述步骤(5)中热挤压成型的温度为150～200℃，所述热挤压成型的挤压比为8～22，所述热挤压成型的压力为25～55MPa，所述热挤压成型的时间为0.5～5h。
[0021]优选地，所述步骤(6)中烧的分阶段程序升温的方式为：第一阶段，由24℃按2～6℃/min的速率升温至300～550℃，保温3～18min；第二阶段，由300～550℃按18～22℃/min的速度升温至600～1000℃，保温50～80min。
[0022]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的碳材催化电极材料。
[0023]本专利技术还提供了上述技术方案所述制备方法制备的碳材催化电极材料或所述的碳材催化电极材料在制备由电能向化学能转化材料中的应用。
[0024]本专利技术提供了一种碳材催化电极材料的制备方法，首先以非离子表面活性剂、硅溶胶、功函数调控材料、稀土盐和乙醇水溶液作为原料，制备功函数调控溶胶，其中，功函数调控材料作为原料及稀土盐中稀土原子的掺杂在大幅度增加制备的碳材催化电极的电流密度的同时，诱导形成局部电荷区，优化活性中间体在界面上的吸附特性，促进碳碳键(C
‑
C)偶联生成，从而实现反应产物的选择性调控，特别是在催化CO2RR反应中，在低电压条件下与电分解水产氢反应相比，电子更倾向于运输到CO2还原的活性位点上；通过调节pH协同调节黏度，可有效解决后续制备的生物质负载材料表面负载的所述功函数调控溶胶涂层存在的堵塞微孔、易开裂、脱落问题，并且通过调节黏度，促进后续浸渍过程中功函数调控溶胶在生物质粉末的吸附和锚定，从而提高制备的碳材催化电极材料的比表面积以及金属原子和稀土原子(活性中心)与碳材催化电极材料的结合强度，进而提高最终制备的所述催化电极的反应性能或活性，利用静置使得功函数调控溶胶的黏度形成动态平衡，形成的溶胶
在浸渍负载时不会团聚；通过真空浸渍机，将生物质粉末浸渍到所述功函数调控溶胶中，制备生物质负载材料，其中，真空浸渍法可以脱除多孔材料生物质粉末的孔道内部吸附的气体，有利于所述功函数调控溶胶中需要浸渍的金属离子进入生物质粉末的的孔道内部，尤其可以促进金属离子在生物质粉末的细胞腔内交替扩散、镶嵌且均匀分布在生物质粉末的细胞结构中，从而抑制金属原子和稀土原子位点团聚，降低接触电阻，以加速电子转移；随后将得到生物质负载材料和正硅酸乙酯在氨水形成的碱性条件下共分散形成溶胶，并且最终形成以生物质负载材料为中心的核壳溶胶，然后通过添加酚类物质与甲醛反应生成核壳结构的第三层高分子聚合物；通过本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳材催化电极材料的制备方法，包括以下步骤：(1)将非离子表面活性剂、硅溶胶、功函数调控材料、稀土盐和乙醇水溶液混合后，依次进行调节pH、调节黏度和静置，得到功函数调控溶胶；(2)利用真空浸渍机，将生物质粉末浸渍到所述步骤(1)得到的功函数调控溶胶中，然后将浸渍后的生物质粉末进行真空干燥，得到生物质负载材料；(3)将所述步骤(2)得到的生物质负载材料与乙醇、水和氨水混合后，再加入正硅酸乙酯进行第一分散，得到第一分散液；向所述第一分散液中加入含酚类物质、胺类物质、吡咯和乙醇的混合溶液后，进行第二分散，得到第二分散液；向所述第二分散液中加入甲醛溶液，进行第三分散，然后依次进行固液分离、洗涤、干燥和磨粉，得到中间体；(4)将所述步骤(3)得到的中间体和碱溶液混合后，依次进行水热反应和冷冻干燥，得到富碳化前驱体；(5)将所述步骤(4)得到的富碳化前驱体与粘结剂、过渡金属、第三周期部分元素、碳化物和羧甲基纤维素混合后，依次进行球磨和热挤压成型，得到坯体；(6)将所述步骤(5)得到的坯体依次进行烧结和刻蚀，得到碳材催化电极材料。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)功函数调控材料为Cs、Rb、Sm和Sr的硝酸盐、硫酸盐或盐酸盐中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中调节黏度至5～12mPa
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【专利技术属性】
技术研发人员：聂宁，刘晓杰，王晓雅，王鹏晓，朱聪斌，肖进彬，
申请(专利权)人：河南省科学院，
类型：发明
国别省市：