【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电催化材料，具体涉及一种铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料及其制备与应用。
技术介绍
1、随着现代工业的持续快速发展，水污染问题日益严峻。目前，我国工业废水的年产生量达到了2000多亿吨，而废水中含有的染料类、酚类、抗生素类等，有机污染物大多结构稳定难降解。主流的治理技术有化学催化氧化、物理吸附和生物降解，但这些方法存在二次污染、周期长及成本高的局限性。因此，提供一种高效、经济的水处理技术成为当前的重要课题之一。电催化技术由于绿色环保，操作简单，效率高的特点成为能源、环境等方面的研究热点。
2、电芬顿技术作为一种极具发展前景的电催化水处理技术，作为变价金属铁、钴、镍主导的电芬顿体系，其通过二电子氧还原反应在阴极生成h2o2，这消除了浓h2o2储存、运输和稀释所带来的风险，电生h2o2与均相金属离子反应生成活性氧，例如羟基自由基（ho•）、过氧氢根自由基（•ooh）和单线态氧（1o2）。与传统的化学氧化方法相比，电芬顿技术无需添加额外的氧化剂或催化剂，减少了化学药剂的使用和产生的化学废物，有利于减少对环境的影响。
3、但此类电芬顿工艺的局限性在于，低价金属离子在完成一次电芬顿反应后会被氧化形成高价金属离子，高价金属转换成低价金属速率非常缓慢，其实电芬顿反应的限速步骤。这种情况会导致变价金属离子不能循环使用，从而降低了电芬顿工艺的催化效率和成本效益。此外，电芬顿进程h2o2的原位生成和后续活化单向增强、强酸性溶液中金属离子流失、过渡金属基催化剂的可回收性差等问题也是导致催化效率低的原因。这些原因使
技术实现思路
1、本专利技术是为了克服现有技术中芬顿反应中因高价金属向低价金属转换效率低而导致整体催化性能不稳定以及催化进程中金属离子流失导致催化剂不稳定、催化效率下降的缺陷，提供了铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料及其制备与应用以克服上述缺陷。
2、为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料，所述材料以氯化钾为模板，在其上原位生成带有铂团簇的二维氮掺杂石墨化碳；其中，铂团簇限域在二维氮掺杂石墨化碳界面中并与氮掺杂石墨化碳形成了共面结构。
4、本申请的专利技术人设计的铂团簇-氮掺杂石墨碳电催化材料，是通过石墨化氮掺杂的碳促进二电子氧还原反应诱导*h2o2中间体的生成，同时，限域在二维氮掺杂石墨化碳网络界面处的铂团簇电还原产生的原子氢（h*），用于原位还原*hooh中间体生成ho•。得到活性氧物种后，即可实现对污染物的催化氧化。整个反应体系中，不涉及常规的由变价金属主导的芬顿进程，反应活性高。
5、此外，铂团簇限域在二维氮掺杂石墨化碳界面处形成的共面结构有助于促进铂团簇与氮掺杂石墨化碳之间的电子传递与相互作用，能有效提高催化剂的电催化性能。更重要地是，二维氮掺杂石墨化碳结构可抑制铂的流失，避免了常规电芬顿技术中因金属离子流失导致的材料催化活性下降的问题；同时还暴露了更多的催化位点，使得催化活性大幅提升，催化材料也更为稳定且利于回收。
6、因而，本方案从限位具有催化活性的金属离子减少其流失之外，通过避开由低价态金属中心还原h2o2形成ho•的常规芬顿进程的手段来加强催化材料的催化稳定性。
7、本专利技术还提供了电催化材料的制备方法，包括以下步骤：
8、s1、将铂源、碳氮源、氯化钾加入乙醇水溶液中混合均匀，加热搅拌至溶剂完全挥发，得到前驱体；
9、s2、将s1中的前驱体干燥后，氮气和/或惰性气氛下煅烧得到电催化材料。
10、本专利技术利用铂源、碳氮源、氯化钾、去离子水和乙醇通过搅拌、干燥，得到包裹在氯化钾晶体表面的铂基碳氮前驱体。随后，在n2和/或惰性气氛中煅烧使铂团簇限域在二维氮掺杂石墨化碳界面处，形成共面结构，一步得到最终的平面型铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料。其中，以氯化钾作为二维材料复合形成的模板，氯化钾对二维材料可起到支撑作用，并帮助二维形态的构建。
11、值得注意地是，选用氯化钠代替氯化钾作为模板使用时，无法构建得到二维共面结构；因而此处的氯化钾是不可替代的，是合成得到二维共面材料的关键。究其原因可能是氯化钠和氯化钾在结构上有所不同，这导致了在使用氯化钠和氯化钾作为模板时出现不同的结果。氯化钠晶体属于面心立方结构，而氯化钾晶体属于体心立方结构。这意味着氯化钠和氯化钾晶体中离子的排列方式和空间结构是不同的。
12、整个方案简单、反应时间短，所用原料取材广泛，利于大面积推广应用。
13、优选地，所述步骤s1中，铂源选自乙酰丙酮铂、氯化铂、硝酸铂中的一种或多种，碳氮源选自三聚氰胺、尿素中的一种或多种。
14、铂源的选择并无特殊要求，获取简便且能合成对应物质并无合成副产物的原料均可，不限于上述提到的几种。各个原料的选取对合成得到最终产物的性能、形貌并无特殊影响。
15、其中三聚氰胺和尿素作为常用的碳氮共源，组成元素干净，除c、n外只包含o、h，在煅烧过程中可保留c、n，而o、h则变成水蒸气被带走，是理想的碳氮来源。
16、优选地，所述步骤s1中，乙醇水溶液中乙醇与水的体积比为1：（1~3）。
17、不同体积比的乙醇水溶液可能具有不同的密度、表面张力和粘度，这些物理性质的变化可能会影响到合成材料的形成和性质。而乙醇和水的体积比会直接影响溶液中乙醇和水的浓度，从而影响到铂源、碳氮源在其中的溶解度。这可能对电催化纯度和晶体形貌产生影响。
18、试验发现，当乙醇与水的体积比为1：（1~3）时，各原料的溶解速度较快，得到的材料形貌也较为规整。
19、优选地，所述步骤s1中，加热温度80~100℃。
20、在该加热温度下，可控制溶剂的蒸发速度在较为适宜的水平，不至于溶剂一下子蒸发过快蒸发时间过短影响晶粒生长。而当温度过低，所需蒸发时间延长，一方面延长了实验时间，提高了时间成本。另一方面，溶剂挥发过慢可能会影响产物的纯度。另，经实验验证得，在800 rpm转速下80~100℃加热4 h大概就能完全蒸干溶剂。
21、优选地，所述步骤s1中，铂源中的铂、碳氮源中的碳、碳氮源中的氮、氯化钾之间的摩尔比为5:2:1:400。
22、本方案中碳氮源均来自于三聚氰胺或是尿素，这两种原料中碳与氮的摩尔比均为2:1。
23、其中铂与碳氮源的用量影响着生成得到铂团簇的量及石墨化碳的量。而铂团簇是限域在石墨化碳二维界面中的，当铂团簇的量过大，会出现不被石墨化碳界面包裹的游离铂，因而无法发挥更佳的效果。为保证铂团簇均能限域在二维石墨化碳界面内，两者协同发挥出最佳效果，针对此处进行理论计算和实验设计来调整具体用量。
24、此外，氯化钾作为整个电催化材料的模板材料，其与碳氮源的比影响着石墨化碳的层状结构的形成和稳定性。不同的模板用量可利用的比表面积不同，可能导致不同层间距离和层内结构石墨化碳本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料，其特征在于，
2.如权利要求1所述的电催化材料的制备方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
6.如权利要求2~5之一所述的方法，其特征在于，
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
9.如权利要求1所述的电催化材料或如权利要求2~8之一所述方法制得的电催化材料对应制得的电催化膜。
10.如权利要求9所述的电催化膜在水处理中的应用。
【技术特征摘要】
1.一种铂团簇-氮掺杂石墨化碳电催化材料，其特征在于，
2.如权利要求1所述的电催化材料的制备方法，其特征在于，
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，
6.如权利要求2...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈一凡，李墨华，徐兴涛，吴文杰，李嘉楠，冉琪，阮治政，权松亚，
申请(专利权)人：浙江海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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