一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂及其制备方法和用途技术

本发明专利技术涉及一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂及其制备方法和用途，所述催化剂包括生物质基载体和负载在所述生物质基载体上的铂基双金属活性组分；所述生物质基载体包括含有N元素和O元素的多孔碳材料；所述铂基双金属活性组分含有Pt和第二金属元素；所述第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合。所述制备方法包括混合生物质材料和活化剂溶液，制备得到多孔碳材料，然后以多孔碳材料为载体，负载Pt元素和第二金属元素，得到所述催化剂。本发明专利技术提供的所述催化剂对于SO2去极化电解反应具有优异的电化学催化活性和稳定性，本发明专利技术提供的制备方法操作简单，成本低廉。成本低廉。成本低廉。

【技术实现步骤摘要】
一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂及其制备方法和用途


[0001]本专利技术涉及催化剂领域，具体涉及一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂及其制备方法和用途。

技术介绍

[0002]能源是人类生存和社会发展中最根本的物质保障，随着世界向低碳能源系统过渡，氢扮演着越来越重要的角色。混合硫循环(HyS)是大规模制氢最有希望的技术之一，该工艺可利用核能实现大规模制氢；其中的SO2去极化电解反应是该工艺中的核心步骤，其工艺条件会对混合硫循环制氢效率产生重要影响。目前，现有研究一直专注于对SO2去极化电解反应具有出色催化活性和化学稳定性的材料。其中包括Pt、Au、Pd等贵金属和一些过渡金属以及碳材料，其中Pt基催化剂由于优异的电化学活性和稳定性而受到普遍关注。
[0003]生物质作为一种可再生能源，对其进行合理利用对实现经济和生态的可持续发展具有重要意义。以生物质为原料制备碳材料是一种简单、低成本的实现生物质利用的方法。碳材料由于具有高比表面、高稳定性、孔径可控性等特性，广泛应用在锂离子电池、超级电容器、催化剂载体等领域。杂原子掺杂可以有效地调节碳的电子性质，使碳具有优化的电荷载体浓度并提供大量催化活性位点，显著增强原始碳的电化学活性，从而增强催化剂载体性能，具有很好的发展前景。
[0004]目前，SO2去极化电解反应的主要催化剂为铂碳催化剂，但是重金属用量高，成本昂贵，其工业化推广受到限制。
[0005]CN112481635A公开了一种贵金属铱析氢电催化剂及应用，该催化剂以铱丝为原料，具有优异的电催化性能，但是成本较高，大规模推广受到限制。
[0006]CN110227485A公开了一种电解水制氢能源用钌掺杂铁镍合金催化剂及制备方法，该催化剂将铁镍钌合金包覆于泡沫镍表层，催化效果有限，催化活性不高。
[0007]因此开发一种制备方法简单、对电解制氢反应具有高活性和高稳定性的催化剂产品具有重大意义。

技术实现思路

[0008]针对以上问题，本专利技术的目的在于提供一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂及其制备方法和用途，与现有技术相比，本专利技术提供的基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂通过生物质基氮氧双掺杂碳材料和铂基双金属活性组分协同作用，可以用于SO2去极化电解反应，并且具有较高的催化活性和电性能。本专利技术提供的制备方法操作简单，成本低廉，绿色环保。
[0009]为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0010]第一方面，本专利技术提供一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂，所述催化剂包括生物质基载体和负载在所述生物质基载体上的铂基双金属活性组分；所述生物质基
载体包括多孔碳材料；所述多孔碳材料含有N元素和O元素；所述铂基双金属活性组分含有Pt和第二金属元素；所述第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合。
[0011]本专利技术提供的催化剂中包括含氮元素和氧元素的多孔碳材料和铂基双金属活性组分，本专利技术中所述含氮元素和氧元素的多孔碳材料为氮氧双掺杂碳材料，是以生物质为原料得到，具有丰富的N元素和O元素掺杂，碳骨架中的碳原子被氮和氧杂原子取代，或者碳材料表面与氧和氮等杂原子掺杂，氮氧双掺杂碳材料中氮和氧的电负性以及原子大小与碳原子存在差异，会促使碳骨架电子云进行重新排列，改变基质中电荷的分布，氮原子和氧原子是供电子体，可提供额外的电荷载体并有效降低能带间隙，氮原子能增加电子空穴的数量，提高碳材料整体的导电性，进一步结合铂基双金属活性组分，并控制第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合，可以进一步提升所述催化剂的电性能和催化活性，尤其是对于SO2去极化电解反应具有优异的导电性、电化学催化活性和稳定性。
[0012]所述第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合包括Cr和Pd的组合，Pd和Cu的组合或Rh和Ir的组合等。
[0013]本专利技术优选控制第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合，是因为第二金属元素与Pt之间会产生电子效应、应力效应以及协同效应，可以进一步提升催化剂的活性。
[0014]优选地，所述多孔碳材料的比表面积为460
‑
550m2/g，例如可以是460m2/g、470m2/g、480m2/g、490m2/g、500m2/g、510m2/g、520m2/g、530m2/g、540m2/g或550m2/g，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0015]优选地，所述多孔碳材料的平均孔径为3.9
‑
5.7nm，例如可以是3.9nm、4.0nm、4.1nm、4.2nm、4.3nm、4.4nm、4.5nm、4.6nm、4.7nm、4.8nm、4.9nm、5.0nm、5.5nm或5.7nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0016]优选地，所述多孔碳材料的孔容为0.50
‑
0.65cm3/g，例如可以是0.50cm3/g、0.52cm3/g、0.54cm3/g、0.56cm3/g、0.58cm3/g、0.60cm3/g、0.62cm3/g、0.64cm3/g或0.65cm3/g，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0017]优选地，所述多孔碳材料的平均粒径为4.8
‑
6.0nm，例如可以是4.8nm、5.0nm、5.2nm、5.4nm、5.6nm、5.8nm或6.0nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0018]优选地，所述催化剂的平均粒径为3.1
‑
3.9nm，例如可以是3.1nm、3.2nm、3.3nm、3.4nm、3.5nm、3.6nm、3.7nm、3.8nm或3.9nm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0019]优选地，所述催化剂中Pt的质量百分含量为29
‑
47％，例如可以是29％、30％、32％、34％、36％、40％、42％、44％、46％或47％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0020]本专利技术优选控制催化剂中Pt的质量百分含量在特定范围，可以保证催化剂具有优异的电化学活性和稳定性。
[0021]优选地，所述催化剂中第二金属元素的质量百分含量为12
‑
29％，例如可以是
12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％或29％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
[0022]本专利技术优选控制所述催化剂中第二金属元素的质量百分含量在特定范围，可以降低成本，提升催化剂的催化活性。
[0023]优选地，所述催化剂中生物质基载体的质量百分含量为24
‑
59％，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂，其特征在于，所述催化剂包括生物质基载体和负载在所述生物质基载体上的铂基双金属活性组分；所述生物质基载体包括多孔碳材料；所述多孔碳材料含有N元素和O元素；所述铂基双金属活性组分含有Pt和第二金属元素；所述第二金属元素包括Cr、Pd、Cu、Rh或Ir中的任意一种或至少两种的组合。2.根据权利要求1所述的催化剂，其特征在于，所述多孔碳材料的比表面积为460
‑
550m2/g；优选地，所述多孔碳材料的平均孔径为3.9
‑
5.7nm；优选地，所述多孔碳材料的孔容为0.50
‑
0.65cm3/g；优选地，所述多孔碳材料的平均粒径为4.8
‑
6.0nm；优选地，所述催化剂的平均粒径为3.1
‑
3.9nm。3.根据权利要求1或2所述的催化剂，其特征在于，所述催化剂中Pt的质量百分含量为29
‑
47％；优选地，所述催化剂中第二金属元素的质量百分含量为12
‑
29％；优选地，所述催化剂中生物质基载体的质量百分含量为24
‑
59％；优选地，所述催化剂中Pt与第二金属元素的质量比为(1.0
‑
3.8):1。4.一种如权利要求1
‑
3任一项所述基于生物质基氮氧双掺杂碳材料的催化剂的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)混合生物质材料和活化剂溶液，然后依次进行搅拌和干燥，得到固体产物；(2)将步骤(1)得到的所述固体产物依次进行炭化、洗涤和研磨，得到多孔碳材料；(3)将步骤(2)得到的所述多孔碳材料与金属元素前驱体溶液混合，所述金属元素前驱体溶液包括含Pt的前驱体溶液和含第二金属元素的前驱体溶液；所述含第二金属元素的前驱体溶液包括CrN3O9溶液、PdCl2溶液、CuCl2溶液、RhCl3溶液或H2IrCl6溶液中的任意一种或至少两种的组合；然后依次进行搅拌和干燥，得到前驱体；(4)将步骤(3)得到的所述前驱体与还原剂混合，然后依次进行搅拌、固液分离和干燥，得到所述催化剂。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述生物质材料包括玉米秸秆、木质素、纤维素或综纤维素中的任意一种或至少两种的组合，优选为玉米秸秆；优选地，所述生物质材料的粒径为0.07
‑
0.15mm；优选地，所述活化剂溶液包括氯化钙溶液；优选地，所述生物质材料与氯化钙溶液中氯化钙的质量比为1:(1
‑
4)；优选地，步骤(1)所述干燥的温度为100
‑
120℃；优选地，步骤(1)所述干燥的时间为3
‑
5h。6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述炭化的温度为600
‑
800℃；优选地，所述炭化的时间为1
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2.5h；优选地，所述洗涤包括酸洗和水洗；优选地，所述酸洗的酸液包括盐酸溶液；
优选地，所述酸液的浓度为1
‑
4mol/L。7.根据权利要求4
‑
6任一项所述的制备方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曲永水，侯少星，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：