本发明专利技术属于催化剂技术领域，公开一种ORR‑OER双功能生物质炭催化剂及其制备方法和应用。所述催化剂为Co<subgt;2</subgt;P@NPAC，NPAC为氮磷掺杂生物质活性炭纳米片；其中，Co<subgt;2</subgt;P纳米颗粒生长在NPAC上。制备方法：（1）、将生物质活性炭粉末超声分散于水中，加入水溶性磷源和水溶性钴盐超声分散均匀；（2）、将步骤（1）得到的分散液在140~190℃水热反应9~15 h，降至室温，过滤，干燥，得到固体粉末；（3）、将步骤（2）得到的固体粉末在惰性气氛下850~950℃热解0.5~1.5 h，降至室温，得到Co<subgt;2</subgt;P@NPAC。所述ORR‑OER双功能生物质炭催化剂在锌空气电池中的应用。本发明专利技术制备的Co<subgt;2</subgt;P@NPAC催化剂，具有优异的ORR‑OER双功能催化活性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于催化剂，具体涉及一种orr-oer双功能生物质炭催化剂及其制备方法和应用。
技术介绍
1、如今，工业生产使得人们过度依赖化石能源而导致能源枯竭，并产生一系列环境问题，人们开始开发各种新型清洁能源来缓解以上问题。其中，电化学储能和转化装置因能量密度高、安全性高和无污染而被广泛研究。金属空气电池是一种将化学能转化为电能的装置，在电池的正极放电时发生氧还原反应（orr），充电时发生氧析出反应（oer），由于orr和oer反应具有缓慢的动力学导致其过电位较高。商用的pt/ru基催化剂催化活性高，但其成本高、耐久性差成为制约因素。
2、农林生物质资源丰富，通过活化处理，具有高比表面积、多孔结构以及良好的导电性，可成为有前景的功能材料。棉秆是重要的农业废弃物，经过改性处理得到活性炭材料主要应用在环保领域，在新能源电池催化剂方面的研究处于起步阶段，越来越引起科学者兴趣。在电催化领域，对活化的棉秆活性炭进行金属杂原子改性处理，可得到高活性orr-oer催化剂，大大提高棉秆生物质的高质化应用价值。当前研究的棉秆基生物质炭的催化活性相对较低，不能满足实际生产的需要。开发出具有orr-oer双功能催化剂的生物质炭材料，是本领域科技工作者的当务之急。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的贵金属基催化剂价格昂贵、资源受限技术问题，本专利技术的目的在于提供一种orr-oer双功能生物质炭催化剂及其制备方法和应用。
2、为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
3、一种orr-oer双功能生物质炭催化剂，所述催化剂为co2p@npac，npac为氮磷掺杂生物质活性炭纳米片；其中，co2p纳米颗粒生长在npac上。
4、所述双功能生物质炭催化剂的制备方法，步骤如下：
5、（1）、将生物质活性炭粉末超声分散于水中，加入水溶性磷源和水溶性钴盐超声分散均匀；其中，水溶性磷源以其中的p计、水溶性钴盐以其中的co计，原料用量配比为生物质活性炭粉末∶水∶水溶性磷源∶水溶性钴盐=（180~210）mg：（80~120）ml：（0.0045~0.0055）mol：（0.0010~0.0015）mol；
6、（2）、将步骤（1）得到的分散液在140~190 ℃水热反应9~15 h，降至室温，过滤，干燥，得到固体粉末；
7、（3）、将步骤（2）得到的固体粉末在惰性气氛下850~950 ℃热解0.5~1.5 h，降至室温，得到co2p@npac。
8、较好地，步骤（1）中，所述水溶性磷源为磷酸铵、磷酸一铵、磷酸二铵或植酸八铵；所述水溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、硫酸钴或醋酸钴。
9、较好地，步骤（1）中，所述生物质活性炭粉末按下述制备过程制备获得：
10、（a）、将生物质清洗，烘干，磨成粉末，得到生物质粉末；
11、（b）、将步骤（a）得到的生物质粉末、浓磷酸和水混合均匀，在110~200 ℃水热反应5~10 h，得到固体；其中，原料的质量配比为生物质粉末∶浓磷酸∶水=（15~25）∶（40~65）∶（21~35）；
12、（c）、将步骤（b）得到的固体在750~850 ℃煅烧0.5~1.5 h，冷却至室温，用稀盐酸煮沸清洗数次至ph显中性，干燥，研磨成粉，得到生物质活性炭粉末。
13、较好地，步骤（a）中，所述生物质为棉秆。
14、较好地，步骤（a）中，生物质粉末的目数为50~100 目。
15、较好地，步骤（c）中，以5~15 ℃/min的升温速率升温至煅烧温度；所述干燥的温度为50~100 ℃，时间为6~7 h；所述稀盐酸的浓度为0.02~0.05 m。
16、较好地，步骤（2）中，所述干燥的温度为25~50 ℃，时间为2~6 h。
17、较好地，步骤（3）中，以5~15 ℃/min的升温速率升温至热解温度。
18、所述orr-oer双功能生物质炭催化剂在锌空气电池中的应用。
19、有益效果：
20、1、本专利技术创造性地设计了金属磷化物改性的生物质炭催化剂，通过炭与磷化钴之间的耦合协同作用，不仅克服了磷化钴催化剂本身的团聚效应，而且改善了磷化钴的导电性，磷化钴和氮磷掺杂调控了炭组分的电荷密度分布，提升了orr反应活性，orr的半波电位达到0.85 v；
21、2、本专利技术通过水热的方法制备双功能催化剂，通过精准控制前驱体溶液中钴盐和磷源的量从而控制主体结构中金属磷化物的种类，进而调控催化剂表面电子构型，有助于氧气吸附，从而改善oer性能，oer的过电位低至261 mv；
22、3、成本低、催化性能及应用性能好：采用非贵金属所制备的co2p@npac催化剂，测得orr的半波电位是0.85 v优于pt/c（0.83 v），在电流密度为10 ma cm-2下，oer的过电位是261 mv 接近于ruo2（250 mv）；在碱性条件下，具有优异的orr-oer双功能催化活性，优于采用贵金属制备的商业催化剂pt/c 和 ruo2；将co2p@npac双功能催化剂应用在准固态锌空电池，具有高达78 mw cm-2的峰值功率密度和长达68 h的循环时间，解决了贵金属pt/c-ruo2催化剂orr-oer双功能不足和稳定性差的问题（峰值功率密度：38 mw cm-2；循环时间：小于10 h）。
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【技术保护点】
1.一种ORR-OER双功能生物质炭催化剂，其特征在于：所述催化剂为Co2P@NPAC，NPAC为氮磷掺杂生物质活性炭纳米片；其中，Co2P纳米颗粒生长在NPAC上。
2.一种如权利要求1所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
3.如权利要求2所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述水溶性磷源为磷酸铵、磷酸一铵、磷酸二铵或植酸八铵；所述水溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、硫酸钴或醋酸钴。
4.如权利要求2或3所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述生物质活性炭粉末按下述制备过程制备获得：
5.如权利要求4所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（a）中，所述生物质为棉秆。
6.如权利要求4所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（a）中，生物质粉末的目数为50~100 目。
7.如权利要求4所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（c）中，以5~15 ℃/min的升温速率升温至煅烧温度；所述干燥的温度为50~100 ℃，时间为6~7 h；所述稀盐酸的浓度为0.02~0.05 M。
8.如权利要求2或3所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（2）中，所述干燥的温度为25~50 ℃，时间为2~6 h。
9.如权利要求2或3所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（3）中，以5~15 ℃/min的升温速率升温至热解温度。
10.一种如权利要求1所述的ORR-OER双功能生物质炭催化剂在锌空气电池中的应用。
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【技术特征摘要】
1.一种orr-oer双功能生物质炭催化剂，其特征在于：所述催化剂为co2p@npac，npac为氮磷掺杂生物质活性炭纳米片；其中，co2p纳米颗粒生长在npac上。
2.一种如权利要求1所述的orr-oer双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于，步骤如下：
3.如权利要求2所述的orr-oer双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述水溶性磷源为磷酸铵、磷酸一铵、磷酸二铵或植酸八铵；所述水溶性钴盐为氯化钴、硝酸钴、硫酸钴或醋酸钴。
4.如权利要求2或3所述的orr-oer双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（1）中，所述生物质活性炭粉末按下述制备过程制备获得：
5.如权利要求4所述的orr-oer双功能生物质炭催化剂的制备方法，其特征在于：步骤（a）中，所述生物质为棉秆。
6.如权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳艳，蒋剑春，李姝琪，
申请(专利权)人：河南农业大学，
类型：发明
国别省市：
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