富制造技术

本发明专利技术公开了一种富

【技术实现步骤摘要】
富C
‑
SH(边缘巯基)的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料及其制备方法与应用


：
[0001]本专利技术涉及一种富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料制备方法与应用及其制备方法和电催化用途
。

技术介绍

：
[0002]金属基催化剂尤其是贵金属及其合金在电催化合成过氧化氢反应中具有优异的活性和出色的选择性，但贵金属有限的储量和贵金属催合金化剂复杂的制备过程严重地阻碍了其实际应用
。
相比于金属基催化剂，由于非金属碳基催化剂具有丰富的储量
、
可重复使用性和可调节的电催化氧还原性能等优势，近年来被广泛研究并被认为更适合实际工业化应用
。
为了有效地提高碳基催化剂的电催化合成过氧化氢的催化性能，开发了许多有效的改性手段，包括括制造大量的缺陷和边缘位点，调节孔隙率和掺杂各种杂原子
。
其中，通过向碳材料中引入如氧
、
硼
、
氮和氟等杂原子来调节附近碳原子的电子结构使其成为高效的
ORR
活性位点已被证实为提高电催化合成过氧化氢催化性能最有效的方法
。
[0003]硫作为地球上最丰富的元素之一，常被用作掺杂剂来改性碳材料和提高其在电催化方面的性能
。
碳材料在掺杂硫元素后，硫原子相邻的碳原子能接收到更多的电子而促进对氧气分子的吸附能力和降低电催化氧还原的过电位
。
>然而，目前大多数报导的硫掺杂碳材料仅在电催化
ORR
合成水方面上表现出较高的性能，这是由于常规的硫碳构型在热力学上更倾向于将氧气电催化还原为水
。
[0004]目前，硫掺杂的碳材料在电催化
ORR
合成过氧化氢还存在着活性低和选择性差等局限，为此我们所专利技术的富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(S
‑
C)
对电催化
ORR
合成过氧化氢有着突出的性能
。
该材料在电催化
ORR
合成过氧化氢方面有着较高的选择性和活性，并且稳定性也较好
。
同时该材料制备原料廉价易得，制备过程简便，拥有实际应用的潜力
。

技术实现思路

：
[0005]本专利技术的目的在于提供一种富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(
以下简称
SC)
及其制备方法与应用
。
利用在惰性气体下高温退火碳化原理，使用管式炉达到制备效果，采用一步法制备
。
该材料由于具有丰富的
C
‑
SH(
边缘巯基
)
活性位点以及有益的多孔缺陷结构赋予了其超高的
2e
‑
ORR
活性和过氧化氢的选择性
。
在该材料制备过程中，木质素和木质素磺酸钠分别作为
C、S
前驱体
。
高温退火期间由于木质素磺酸钠中的
C
‑
S
键发生断裂，
S
原子以
H2S
或
SO2等气体形式脱离碳宿主并重新被多孔碳上的缺陷捕获形成了边缘
C
‑
SH
结构
。
木质素磺酸钠中的磺酸基团不仅为材料提供了均匀分布的硫源，同时高温退火时碳材料上的脱硫过程能促进材料的缺陷产生以及多孔结构的形成
。
丰富的边缘
C
‑
SH
活性位点和大规模的缺陷结构为
ORR
提供了众多的反应活性位点，有利于其高效地电催化氧还原产生过氧化氢
。
[0006]本专利技术的技术方案为：富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(S
‑
C)
，材料中
S
元素含量达到
0.8at
％
‑
2.0at
％，
C
‑
SH
结构的含量为
0.1at.
％
‑
0.9at.
％，材料中分布有微孔＜
2nm、
介孔
2nm
‑
50nm
和大孔＞
50nm
，比表面积为
200m2g
‑1‑
900m2g
‑1；使用木质素作为碳源，木质素磺酸盐作为硫源，前处理后制备成前驱体，在惰性气体中进行高温退火处理，制备出富
C
‑
SH
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(S
‑
C)
；所述的木质素磺酸盐粘度
≤200mPa.s。
[0007]所述的富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料的制备方法，使用木质素作为碳源，木质素磺酸钠作为硫源，前处理后制备成前驱体，在惰性气体中进行高温退火处理，制备出富
C
‑
SH
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(S
‑
C)。
[0008]具体步骤为：热的木质素磺酸钠溶液中添加木质素形成混合悬浊溶液；通过长时间的水浴加热和磁力搅拌将前驱体中的
C、S
元均匀混合；混合溶液通过水浴加热和磁力搅拌蒸干水分，固体置入鼓风烘箱中彻底干燥，随后将大块固体研磨至细小的粉末，所得固体粉末即为前驱体；在非反应性气体的保护下，将上述前驱体进行高温退火处理使前驱体碳化，随后分别使用沸腾的蒸馏水和无水乙醇洗去材料中的单质硫和硫化钠等杂质，抽滤并真空干燥，制备出富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
(S
‑
C)。
[0009]所使用的的木质素作为碳源，与木质素磺酸钠的比例分别为0～
3:1
不包括
0。
[0010]水浴加热的水浴温度为
90℃
，磁力搅拌条件为
200
‑
700rpm
，磁力搅拌时间为9‑
13h。
[0011]干燥温度为
80℃
‑
100℃
，干燥时间为
8h
‑
15h。
[0012]退火过程使用管式炉，非反应气体为
Ar、N2。
[0013]退火过程，升温速度为：
3℃
～
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料，其特征在于，材料中
S
元素含量达到
0.8at
％
‑
2.0at
％，
C
‑
SH
结构的含量为
0.1at.
％
‑
0.9at.
％，材料中分布有微孔＜
2nm、
介孔
2nm
‑
50nm
和大孔＞
50nm
，比表面积为
200m2g
‑1‑
900m2g
‑1；使用木质素作为碳源，木质素磺酸钠作为硫源，前处理后制备成前驱体，在惰性气体下对前驱体进行高温退火，制备出富
C
‑
SH
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料；所述的木质素磺酸盐粘度
≤200mPa.s。2.
权利要求1所述的富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，使用木质素作为碳源，木质素磺酸钠作为硫源，前处理后制备成前驱体，在惰性气体下对前驱体进行高温退火，制备出富
C
‑
SH
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
。3.
如权利要求2所述的富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料的制备方法，其特征在于，具体步骤为：木质素和木质素磺酸钠按质量比添加到去离子水中形成悬浊溶液；通过水浴加热和磁力搅拌将前驱体中的
C、S
元素均匀混合；混合溶液通过水浴加热和磁力搅拌蒸干水分，固体彻底干燥，随后将大块固体研磨至细小的粉末，所得固体粉末即为前驱体；在非反应性气体的保护下，将上述前驱体进行高温退火处理使前驱体碳化，随后分别使用沸腾的蒸馏水和无水乙醇洗去材料中的单质硫和硫化钠杂质，抽滤并真空干燥，制备得到富
C
‑
SH
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料
。4.
如权利要求3所述的富
C
‑
SH(
边缘巯基
)
的纳米缺陷多孔硫掺杂碳材料的制备方...

【专利技术属性】
技术研发人员：范孟孟，吴雨寒，袁启昕，蒋剑春，孙康，王傲，赵钰莹，
申请(专利权)人：南京林业大学，
类型：发明
国别省市：