一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂的制备方法技术

本发明专利技术属于电催化技术领域，具体涉及一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂的制备方法。包括如下步骤：步骤S1：将碳粉加入纯水中，分散均匀，得到分散液；步骤S2：将步骤S1得到的分散液加入聚四氟乙烯内衬，并放入水热釜中；步骤S3：将步骤S2得到的装有分散液的水热釜升温至160～200℃，保温1～8h，得到水热处理后的分散液；步骤S4：将步骤S3得到的分散液经过水洗、真空干燥处理得到催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂。本发明专利技术制得的氧掺杂碳催化剂具有微孔、介孔和大孔连续分布的多级孔结构，在二电子ORR过程中具有较高的催化活性、选择性和优异稳定性，在电化学制备H2O2领域具有潜在应用前景。用前景。用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂的制备方法


[0001]本专利技术属于电催化
，具体涉及一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂的制备方法。

技术介绍

[0002]过氧化氢是一种有潜力的绿色化学品，被应用在医疗、纺织、造纸、已内酰胺工艺、半导体和航天工业等众多领域。传统生产工艺为蒽醌法，有着设备和生产成本高、使用有机溶剂污染环境和集中生产带来的高浓度过氧化氢的运输、储存方面的安全隐患等诸多缺点。电化学合成过氧化氢反应条件温和，绿色环保，产物纯度高，生产成本低，氢氧分隔设计和分散式设备避免了一些生产、运输和储存上的困难和危险性，具有实际应用的潜力。
[0003]目前，使用贵金属(例如金，铂，钯)和相应的合金已经获得了较好的性能，但是贵金属的稀缺性和高成本极大限制了其大规模应用。过渡金属(例如铁，钴，锰，镍)催化剂的研究也受到了诸多关注，在碳基材料中引入少量金属会形成非常活跃的金属
‑
氮
‑
碳位点，通常称为M
‑
N
‑
C催化剂。在许多电催化反应中(例如燃料电池阴极四电子氧还原生成水的反应)，过渡金属
‑
氮
‑
碳材料很有希望成为传统贵金属基催化剂(例如Pd，Au或Pt)的替代催化剂。但是目前金属氮碳催化剂对催化氧气二电子还原生成过氧化氢的选择性相对较低。另外，金属活性位点在过氧化氢溶液中容易被活性氧簇进攻发生金属离子的脱附，会在产物中引入杂质并催化过氧化氢的分解。无金属碳基催化剂也可用作电合成过氧化氢的催化剂，但是活性较低。氧掺杂碳催化剂具有较高的催化活性，但是目前常用的方法为使用强氧化剂(浓硝酸、过氧化氢等)对碳材料的处理。但是在使用强氧化剂引入氧原子掺杂的同时，也会对碳材料本身的孔结构造成破坏。往往碳材料的氧化程度越高，比表面积降低的程度越大，催化剂性能降低的程度也越大。所以在获得高的氧掺杂量的同时维持碳本身较高的比表面积是一个挑战。

技术实现思路

[0004]本专利技术解决的技术问题是提供了一种工艺简单、环保的制备方法来获得具有较高氧含量的碳材料电催化剂。该方法通过水热法的高温高压环境促进碳材料表面的氧原子掺杂，引入含氧的氧官能团，改善碳的自旋状态和电荷分布，控制亲/疏水性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]本专利技术一方面提供一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂制备方法，包括如下步骤：
[0007]步骤S1：将碳粉加入纯水中，分散均匀，得到分散液；
[0008]步骤S2：将步骤S1得到的分散液加入聚四氟乙烯内衬，并放入水热釜中；
[0009]步骤S3：将步骤S2得到的装有分散液的水热釜升温至160～200℃，保温1～8h，得到水热处理后的分散液；
[0010]步骤S4：将步骤S3得到的分散液经过水洗、真空干燥处理得到催化产过氧化氢的
氧掺杂碳电催化剂。
[0011]上述技术方案中，进一步地，步骤S1所述碳粉质量与水溶液体积之比为1～100mg：1mL。
[0012]上述技术方案中，进一步地，步骤S2所述的分散液在聚四氟乙烯内衬中的填充度小于80％。
[0013]上述技术方案中，进一步地，步骤S3所述水热温度为160～180℃。
[0014]上述技术方案中，进一步地，步骤S3所述水热温度为180℃。
[0015]本专利技术另一方面提供一种上述制备方法制得的催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂。
[0016]上述技术方案中，进一步地，所述电催化剂具有微孔、介孔和大孔连续分布的多级孔结构。
[0017]本专利技术的有益效果为：
[0018](1)本专利技术制得的氧掺杂碳催化剂具有微孔、介孔和大孔连续分布的多级孔结构，在二电子ORR过程中具有较高的催化活性、选择性和优异稳定性。
[0019](2)本专利技术通过水热反应对碳粉进行氧化，得到的氧掺杂碳材料表面具有较高的氧官能团(如羟基，羧基和羰基等)含量。氧官能团可以改善碳的自旋状态和电荷分布，控制亲/疏水性。
[0020](3)本专利技术添加纯水进行水热反应，通过控制水热反应温度，发生了对碳的氧掺杂效应，经过水热釜处理得到的氧掺杂碳材料，在碱性电解液中经过旋转环盘测试证明具有较高的过氧化氢选择性(约90％)，较高的起始电位(约0.8V vs.RHE)，较高的极限电流(～3.0mAcm
‑2)，这证明了本专利技术的氧掺杂碳材料具有优异的二电子氧还原催化性能，在无金属碳基催化剂中性能领先。
[0021](4)本专利技术未使用浓硝酸等强氧化剂便达到了对碳粉进行氧掺杂的目的，避免了危险性和环境污染。
附图说明
[0022]图1为商业碳粉BP2000的透射电镜图；
[0023]图2为实施例1制备的氧掺杂碳的透射电镜图；
[0024]图3为对比例1制备的氧掺杂碳的透射电镜图；
[0025]图4为商业碳粉BP2000和实施例1制备的氧掺杂碳的氮气吸脱附等温线；
[0026]图5为商业碳粉BP2000和实施例1制备的氧掺杂碳的线性扫描伏安曲线；
[0027]图6为实施例1制备的氧掺杂碳和商业碳粉BP2000的二电子ORR选择性曲线；
[0028]图7为对比例1制备的氧掺杂碳的线性扫描伏安曲线；
[0029]图8为对比例1制备的氧掺杂碳的二电子ORR选择性曲线；
[0030]图9为对比例2制备的氧掺杂碳的线性扫描伏安曲线；
[0031]图10为对比例2制备的氧掺杂碳的二电子ORR选择性曲线。
具体实施方式
[0032]以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本
专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。
[0033]实施例1
[0034](BP2000
‑
H2O的制备)
[0035]步骤S1：将0.5g商业碳粉BP2000加入70mL高纯水中，分散均匀，得到分散液；
[0036]步骤S2：将步骤S1得到的分散液加入100ml聚四氟乙烯内衬，填充度为70％，并放入水热釜中；
[0037]步骤S3：将步骤S2得到的装有分散液的水热釜升温至180℃，保温4h，得到水热处理后的分散液；
[0038]步骤S4：将步骤S3得到的分散液经过水洗、真空干燥处理得到催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂。
[0039]对比例1
[0040](BP2000
‑
2M HNO3的制备)
[0041]步骤S1：将0.5g商业碳粉BP2000加入70mL浓度为2mol/L硝酸溶液中，分散均匀，得到分散液；
[0042]步骤S2：将步骤S1得到的分散液加入100ml聚四氟乙烯内衬，填充度为70％，并放入水热釜中；
[0043]步骤S3：将步骤S2得到的装有分散液的水热釜升温至18本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤S1：将碳粉加入纯水中，分散均匀，得到分散液；步骤S2：将步骤S1得到的分散液加入聚四氟乙烯内衬，并放入水热釜中；步骤S3：将步骤S2得到的装有分散液的水热釜升温至160～200℃，保温1～8h，得到水热处理后的分散液；步骤S4：将步骤S3得到的分散液经过水洗、真空干燥处理得到催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂。2.根据权利要求1所述的催化产过氧化氢的氧掺杂碳电催化剂制备方法，其特征在于：步骤S1所述碳粉质量与水溶液体积之比为1～100mg：1mL。3.根据权利要求1所述的催化...

【专利技术属性】
技术研发人员：俞红梅，贾森元，那靖辰，邵志刚，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：