一种煤基活性焦制造技术

本申请提出一种煤基活性焦

【技术实现步骤摘要】
一种煤基活性焦、结构定向调控方法及应用


[0001]本申请涉及碳基电催化剂
，尤其涉及一种煤基活性焦
、
结构定向调控方法及应用
。

技术介绍

[0002]H2O2作为燃料电池中的能源载体
、
化工生产和环境修复领域的绿色氧化剂，是全球最重要的
100
种化学品之一
。
与高能耗
、
高污染的蒽醌工艺相比，二电子路径氧还原反应
(ORR)
制备
H2O2能实现其原位生产及利用是合成
H2O2的重要技术选择，由于
ORR
过程存在两条路径
(
二电子
/
四电子
)
，开发高性能电催化剂强化二电子路径成为
H2O2选择性合成的关键
。
[0003]碳材料由于成本较低
、
掺杂或缺陷结构易于调控等优势受到了广泛关注
。
总结目前研究已发展的高性能碳基催化剂结构特点，强化
H2O2选择性生成的碳材料通常具备如下特征：
(1)
分子原子尺度上具有缺陷位点调控碳基面电子结构特性，如含氧官能团
、
边缘缺陷；
(2)
纳米尺度上具有发达的介孔结构用于强化反应物种在材料内部的扩散迁移
。
因而合理调控碳材料的多尺度结构成为开发高性能碳基催化剂的重要出发点
。
[0004]目前，煤炭作为重要的能源物质同时是自然界的天然碳源，通过控制碳化温度，可使原煤中的芳香基大分子向无定型碳结构演变；而煤基活性焦作为原煤初步碳化活化与成型后成本极低的无定型碳材料，其自身已衍生出大量非
sp2
碳结构
(
五元环
、
边缘缺陷
、
化学官能团等
)
，且孔隙结构也得到了初步发展
。
通过机械化学方法可进一步对煤基活性焦初步发展的多尺度结构进行定向调控用于
H2O2的电催化合成
。
[0005]因此，针对上述
H2O2电催化合成对碳材料结构需求，基于机械化学方法调控煤基活性焦多尺度结构
(
缺陷
‑
孔隙
‑
碳微晶
)
开发低成本
、
高性能的无定型碳基电催化剂是本领域技术人员亟需解决的技术问题
。

技术实现思路

[0006]本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一
。
[0007]为此，本申请的目的在于提出一种煤基活性焦
、
结构定向调控方法及应用，是通过机械化学方法调控煤基活性焦多尺度结构提出的无定型碳多尺度结构定向调控方法，得到低成本
、
高性能碳基电催化剂用于实现
H2O2电催化合成
。
[0008]为达到上述目的，根据本申请的第一个方面提出了一种煤基活性焦的结构定向调控方法，包括步骤：
[0009]成型煤基活性焦破碎
、
研磨和筛分得到百纳米粒径的活性焦粉末；
[0010]将所述活性焦粉末置于氢气与氩气混合形成的还原气氛中
800
‑
1200℃
并保温
0.5
‑
5h
进行还原处理，后降至室温得到还原活性焦粉末；
[0011]将所述还原活性焦粉末置于空气气氛
、
氩气气氛或二氧化碳气氛下球磨得到球磨产物；其中球磨时转速为
300r/min
‑
1000r/min
，时间为
12
‑
24h
；
[0012]将所述球磨产物依次进行酸洗和水洗后干燥处理即可得到碳基电催化剂
。
[0013]在一些实施例中，所述还原活性焦粉球磨时的球磨罐材质为不锈钢
、
玛瑙或刚玉
。
[0014]在一些实施例中，所述还原活性焦粉球磨时的氩气气氛为直接向球磨罐中通入氩气
。
[0015]在一些实施例中，所述还原活性焦粉球磨时的二氧化碳气氛为直接向球磨罐中通入干冰，其中所述干冰与所述还原活性焦粉的质量比为1：
0.1
‑
10。
[0016]在一些实施例中，所述活性焦粉末在还原气氛中加热时，
0.1
‑
10℃min
‑1升温速率升温至
800
‑
1200℃
；以所述还原气氛为基准，氢气的体积百分比为5％，氩气的体积百分比为
95
％
。
[0017]在一些实施例中，所述球磨产物酸洗的方法为利用浓度为
0.1
‑
2mol/L
的稀盐酸或硝酸清洗2‑3次
。
[0018]在一些实施例中，所述球磨产物水洗2‑5次，并在
60℃
‑
100℃
保温
12
‑
24h
干燥处理即可得到所述碳基电催化剂
。
[0019]根据本申请的第二个方面提出了一种基于煤基活性焦结构定向调控得到的碳基电催化剂，所述碳基电催化剂为无定型碳且晶格尺寸为亚纳米级；同时富含边缘缺陷
、
不同氧掺杂浓度，介孔比例大于
50
％
。
[0020]在一些实施例中，所述碳基电催化剂为碱性体系催化剂，其起始电位为
0.83V
且选择性大于
90
％
。
[0021]根据本申请的第三个方面提出了上述实施例中的任一实施例中的基于煤基活性焦结构定向调控得到的碳基电催化剂，在催化合成
H2O2中应用，所述碳基电催化剂电催化合成
H2O2。
[0022]与现有技术对比，本申请的有益效果为：
[0023]本申请以成本较低的成型煤基活性焦为原料，通过粒径细化和还原处理得到氧含量降低的还原活性焦粉末，后通过空气气氛
、
氩气气氛或二氧化碳气氛下球磨处理，调控还原活性焦粉末的多尺度结构，相较于相关技术中自上而下的材料合成手段如刻蚀
、
氧化
、
腐蚀
、
研磨难以同时对碳材料多尺度结构进行协同调控，本申请的调控方法可获得无定型碳晶格尺寸减小
、
富含边缘缺陷
、
不同氧掺杂浓度以及介孔结构发达的高性能碳基电催化剂，整体工艺流程操作简易，无废气废液产生，同时具备大尺度放大生产的潜力，商业化前景广阔；此外，本申请使用的原始材料为煤衍生的成型活性焦，不同类型煤种发展的活性焦均可以作为原材料，因此材料来源较为广泛且成本极低
。
[0024]同时，本申请中煤基活性焦的结构定向调控方本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种煤基活性焦的结构定向调控方法，其特征在于，包括步骤：成型煤基活性焦破碎
、
研磨和筛分得到百纳米粒径的活性焦粉末；将所述活性焦粉末置于氢气与氩气混合形成的还原气氛中
800
‑
1200℃
并保温
0.5
‑
5h
进行还原处理，后降至室温得到还原活性焦粉末；将所述还原活性焦粉末置于空气气氛
、
氩气气氛或二氧化碳气氛下球磨得到球磨产物；其中球磨时转速为
300r/min
‑
1000r/min
，时间为
12
‑
24h
；将所述球磨产物依次进行酸洗和水洗后干燥处理即可得到碳基电催化剂
。2.
根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述还原活性焦粉球磨时的球磨罐材质为不锈钢
、
玛瑙或刚玉
。3.
根据权利要求2所述的调控方法，其特征在于，所述还原活性焦粉球磨时的氩气气氛为直接向球磨罐中通入氩气
。4.
根据权利要求2或3所述的调控方法，其特征在于，所述还原活性焦粉球磨时的二氧化碳气氛为直接向球磨罐中通入干冰，其中所述干冰与所述还原活性焦粉的质量比为1：
0.1
‑
10。5.
根据权利要求1所述的调控方法，其特征在于，所述活性焦粉末在还原气氛中加热时，
0....

【专利技术属性】
技术研发人员：杨成龙，杨潮伟，李阳，孙飞，赵瀚辰，蔡铭，贾晨光，王哲帆，崔义，井庆贺，李德军，
申请(专利权)人：扎赉诺尔煤业有限责任公司哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：