一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法和应用。该方法包括以下步骤：将块状农林生物质置于离子液体中并高温快速搅拌后，抽滤得到混合物A；在混合物A中加入水，氮源和过渡金属盐并超声搅拌后，冷冻干燥得到混合物B；将混合物B碳化处理，得到所述生物质块体碳催化剂。该材料具有三维互通孔道结构能提供化学反应的微环境利于传质。相比于传统粉末催化剂其具有更高的单位面积的催化活性位点，更好的工作稳定性以及防止催化剂的活性位点被遮挡。此外，该材料的制备过程简单，其中离子液体可重复利用，且原料来源广泛价格低廉，可有效降低多孔块体碳材料的制作成本易于大规模制备，为木材高值化利用提供了有效途径。效途径。效途径。

【技术实现步骤摘要】
一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法和应用


[0001]本专利技术属于农林生物质资源高值化利用领域，具体涉及一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法和应用。

技术介绍

[0002]能源危机和环境污染使得人们急迫开发具有高能量密度，高安全性的储能系统。燃料电池、金属空气电池不仅具备上述优势，而且由于其清洁，廉价以及使用便捷等优点受到了广泛的关注。对于燃料电池，阴极催化剂是影响电池性能最主要的部分。然而阴极催化剂面临的一个重要问题是迟缓的四电子氧还原反应。目前，由于铂基催化剂在氧还原过程中具有超低过电位和超高活性，使得成为应用最广的阴极催化剂。但铂基材料价格昂贵，储量有限，稳定性差，易中毒。因此，开发高活性，廉价，绿色可持续，稳定性高的催化剂以替代铂基催化剂，这对科研和工业化应用具有划时代意义。
[0003]近年来，多孔碳基催化剂因其抗中毒性优良、稳定性好等特点受到了学者和工业界的广泛研究。现有的多孔碳催化剂的制备方法通常采用模板法。然而,这需要多个步骤，例如自下而上合成的催化剂由碳前体以及蚀刻和净化过程中删除模板，这不仅增加大规模生产的成本还污染环境。此外，多孔碳催化剂由下至上的方法合成的材料一般是粉末状，因此不能自支撑，并且在应用过程中粉末状催化剂需要加入额外的聚合物粘结剂，这会对催化剂表面的活性位点造成遮挡，还会进一步增加催化层内部阻抗，导致较强的欧姆极化效应对实际的电催化过程造成负面影响。自然界储量丰富，可再生的农林生物质资源具有天然的孔道结构，且廉价易得是制备多孔碳催化剂的优良前驱体。然而天然衍生的农林生物质碳材料的比表面积小，微介孔占比少，活性位点低。因此开发一种高效廉价、绿色可持续的多孔碳大规模制备方法对众多领域将产生重大影响。

技术实现思路

[0004]针对掺杂多孔碳基催化剂制备方法中原材料价格昂贵，过程复杂，使用强酸强碱刻蚀等问题，本专利技术的目的在于提供一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法。本专利技术的方法符合绿色可持续发展理念，且简单易行、成本低廉在催化和储能领域具有重要应用前景。本专利技术所制备的材料具有丰富微介孔比、良好机械性能、高密度活性位点、比表面积大等优点。
[0005]本专利技术的另一目的在于提供上述方法制得的生物质块体碳催化剂。
[0006]本专利技术的再一目的在于提供上述生物质块体碳催化剂的应用。所述生物质块体碳催化剂可应用于催化，储能，环境修复等领域。
[0007]本专利技术的目的通过如下技术方案实现：
[0008]一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法，包括如下步骤：
[0009](1)将块状农林生物质置于离子液体中并在60
‑
120℃下加热搅拌0.1h
‑
24h后抽滤得到混合物A；
[0010](2)向步骤(1)得到的混合物A中加入水，氮源和过渡金属盐并超声搅拌后，冷冻干燥得到混合物B；
[0011](3)将混合物B在惰性气氛下600
‑
1100℃碳化0.2
‑
10h，得到所述离子液体预处理制备的生物质块体碳催化剂。
[0012]本专利技术以块状农林生物质为原料，利用离子液体对块状农林生物质中的纤维素，半纤维素和木质素的选择性定向溶解以制造丰富微介孔，并通过氮源与过渡金属盐以调控催化剂的活性中心密度，最后得到了离子液体预处理制备的生物质块体碳催化剂。该材料具有三维互通孔道结构能提供化学反应的微环境利于传质。
[0013]优选的，步骤(1)所述块状农林生物质尺寸为5cm*5cm*0.5cm。
[0014]块体催化剂能解决传统粉末催化剂的以下弊端：1)绝缘的聚合物粘合剂会对催化剂表面的活性位点造成遮挡；2)绝缘聚合物粘合剂会进一步增加催化层内部阻抗，导致较强的欧姆极化效应对实际的电催化过程造成负面影响；3)在实际工业化运行条件下电流密度较大，大量氢气、氧气在催化层孔道内部产生时的冲击作用会导致催化剂的脱落，进一步降低了电极的稳定性。
[0015]步骤(2)所述的水可以为蒸馏水，去离子水或超纯水。
[0016]优选的，步骤(1)所述的块状农林生物质包括且不限于落叶松，桉木，榉木，桦木，椴木，桉木，柏杨，高山榕和竹子中的一种。进一步优选的，所述的块状农林生物质为桉木。
[0017]优选的，步骤(1)所述块状农林生物质：离子液体的质量比为1:0.1
‑
30。进一步优选的，所述的质量比为1:20。
[0018]优选的，步骤(1)所述的离子液体包括且不限于1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酸盐，1
‑
烯丙基
‑3‑
甲基咪唑氯化物，十四烷基二甲基苄基氯化铵，1
‑
羟乙基
‑3‑
甲基咪唑氯盐，1
‑
乙基
‑3‑
甲基氯化咪唑鎓，1
‑
苄基
‑3‑
甲基咪唑氯盐，1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑硫氰酸盐，1,3
‑
二甲基咪唑二甲基膦，1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑二甲基磷酸盐，1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑硫酸乙酯，1
‑
乙基
‑3‑
甲基咪唑甲基磺酸盐，1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑乙酸盐，1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑溴盐，1
‑
烯丙基
‑3‑
甲基咪唑溴盐，1
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已基
‑3‑
甲基咪唑磷酸二乙酯盐和氯化1
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丁基
‑3‑
甲基咪唑中的一种或多种。进一步优选的，所述的离子液体为1
‑
丁基
‑3‑
甲基咪唑三氟甲磺酸盐。
[0019]离子液体能破坏纤维素分子内/间氢键进而能较好溶出多糖分子，使得在制备块体碳催化剂中通过调控生物质多糖的溶出进而来调控块体碳催化剂的微介孔比。此外离子液体是一种绿色可回收溶剂，能极大降低生产成本。
[0020]优选的，步骤(1)所述的加热搅拌的转速为50
‑
2000rpm。进一步优选的，步骤(1)所述的加热搅拌为80℃下以600rpm搅拌12h。
[0021]优选的，步骤(2)所述的氮源为氯化铵、尿素、双氰胺、三聚氰胺、乙二胺、氨基葡萄糖、磷酸氢二铵、氨气中的一种或两种以上。进一步优选的，所述的氮源为氯化铵。
[0022]优选的，步骤(2)所述混合物A:氮源的质量比为1:0.2
‑
30。进一步优选的，所述的混合物A:氮源的质量比为1:20。
[0023]优选的，步骤(2)所述的过渡金属盐为氯化铁、氯化钴、氯化镍、氯化铜、氯化锰、硝酸铁、硝酸钴、硝酸镍、硝酸铜、硝酸锰、硫酸铁、硫酸钴、硫酸镍本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将块状农林生物质置于离子液体中并在60
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120℃下加热搅拌0.1h
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24h后抽滤得到混合物A；(2)将步骤(1)得到的混合物A中加入水、氮源和过渡金属盐并超声搅拌后，冷冻干燥得到混合物B；(3)将混合物B在惰性气氛下600
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1100℃碳化0.2
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10h，得到所述生物质块体碳催化剂。2.根据权利要求1所述的一种离子液体预处理制备生物质块体碳催化剂的方法，其特征在于，步骤(1)所述的块状农林生物质包括落叶松，桉木，榉木，桦木，椴木，桉木，柏杨，高山榕和竹子中的一种；步骤(1)所述的离子液体包括1
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丁基
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甲基咪唑三氟甲磺酸盐，1
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烯丙基
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甲基咪唑氯化物，十四烷基二甲基苄基氯化铵，1
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羟乙基
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甲基咪唑氯盐，1
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乙基
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甲基氯化咪唑鎓，1
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苄基
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甲基咪唑氯盐，1
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丁基
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甲基咪唑硫氰酸盐，1,3
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二甲基咪唑二甲基膦，1
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乙基
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甲基咪唑二甲基磷酸盐，1
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乙基
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甲基咪唑硫酸乙酯，1
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乙基
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甲基咪唑甲基磺酸盐，1
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丁基
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甲基咪唑乙酸盐，1
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丁基
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甲基咪唑溴盐，1
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烯丙基
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甲基咪唑溴盐，1
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已基
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甲基咪唑磷酸二乙...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭新文，黄永发，李庭震，母一帆，韦雨佳，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：