三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用技術

本發明專利技術公開三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用，其中，包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽充分混合；然后在惰性氣體保護下碳化處理；最后用H

Three dimensional honeycomb like graphene non-metal catalyst, preparation method and application thereof

The invention discloses a three-dimensional honeycomb type graphene non metal catalyst and preparation method and application thereof, which comprises the steps of: bean dregs, sodium nitrate, chloride and first second chloride mixing; then carbonized under inert gas protection; finally H

【技術實現步驟摘要】
三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用
本專利技術涉及材料
，尤其涉及一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用。
技術介紹
燃料電池是一種將儲存在燃料（天然氣、H2、甲醇等）和氧化劑（O2、空氣）中的化學能直接轉化為電能的發電裝置。燃料電池具有發電效率高、環境污染少等優點，而成為一種比較理想的發電技術。然而制約燃料電池發展和應用的關鍵因素是用于陰極氧還原反應催化劑。目前直接甲醇燃料電池陰極氧還原催化劑主要是采用Pt/C催化劑，而Pt價格高昂且資源匱乏，造成目前直接甲醇燃料電池成本過高。另外，甲醇透過質子交換膜滲透到陰極，在陰極Pt催化劑上發生電氧化，產生“混合電位”，降低了電池性能；而且甲醇氧化產生的中間體易使陰極Pt催化劑中毒，從而降低了Pt/C催化劑的活性和穩定性，進而影響了燃料電池的使用壽命。因此，現有技術還有待于改進和發展。
技術實現思路
鑒于上述現有技術的不足，本專利技術的目的在于提供一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用，旨在解決現有陰極氧還原催化劑成本高、活性和穩定性較低的問題。本專利技術的技術方案如下：一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽充分混合；然后在惰性氣體保護下碳化處理；最后用H2O洗滌至中性，烘干；再用酸浸泡12~24h后，洗滌到中性，再烘干，得到三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，所述第一氯鹽為NaCl。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，所述第二氯鹽為KCl、LiCl、CaCl2中的一種。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，所述第一氯鹽與第二氯鹽的總質量是豆渣質量的5~10倍。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，所述NaNO3的總質量是豆渣質量的0.2~1倍。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，控制碳化處理的溫度為800~1000℃。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，浸泡采用的酸為HNO3。所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其中，所述HNO3為2M的HNO3。一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑，其中，采用如上任一所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法制備而成。一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的應用，其中，將如上所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑用作燃料電池的陰極氧還原催化劑。有益效果：本專利技術制備的三維蜂窩狀類石墨烯高活性非金屬催化劑比表面積大，總孔體積大，在堿性溶液中顯示出很好的氧還原性能和較高的抗甲醇中毒能力，因此，可以作為燃料電池的陰極氧還原催化劑。附圖說明圖1為實施例1制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的SEM圖。圖2為實施例1制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的氮氣吸脫附與孔徑分布圖。圖3為實施例1制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑在0.1mol·L-1的KOH溶液中的ORR測試圖。圖4為實施例1制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的抗甲醇測試圖。具體實施方式本專利技術提供一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑及制備方法與應用，為使本專利技術的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本專利技術進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本專利技術，并不用于限定本專利技術。本專利技術的一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法較佳實施例，其中，包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽充分混合；然后在惰性氣體保護下碳化處理；最后用H2O洗滌至中性，烘干；再用酸浸泡12~24h后，洗滌到中性，再烘干，得到三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。本專利技術以生活中的廢棄物豆渣為原料、以硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽作為高溫處理過程中的溶劑和造孔劑，經過高溫碳化后水洗和酸處理，即可得到三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。本專利技術豆渣含有豐富的碳水化合物和蛋白質，為所制備的材料提供了碳源和氮源。本專利技術催化劑為三維蜂窩狀類石墨烯結構，三維蜂窩狀結構有利于電子的傳輸；類石墨烯的結構暴露了更多的活性位點，因而具有更好的催化性能。另外，本專利技術催化劑具有較大的比表面以及較大的總的孔體積，豐富的介孔結構有利于氮氣的吸脫附，同時在氧還原中也有利于氧氣充分地與活性位點接觸。此外，本專利技術催化劑與20%商業Pt/C催化劑相比，兩者有著相同的起始點位和半波電位，但是本專利技術催化劑的極限電流卻明顯大于20%的商業Pt/C催化劑。最后本專利技術催化劑顯示出較高的抗甲醇中毒能力。上述制備方法具體包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽（如NaCl）與第二氯鹽（如KCl、LiCl、CaCl2、ZnCl2等中的一種）充分混合；然后在惰性氣體（如氮氣）保護下高溫碳化處理60~350min一定時間后，其中，控制碳化處理的溫度為800~1000℃，優選的溫度為900℃；最后用H2O浸泡、洗滌除去其中的第一氯鹽與第二氯鹽至中性，烘干；再用酸（如硝酸，優選2M的HNO3）浸泡12~24h（如24h）后，除去其中可能含有的無機鹽成分，洗滌到中性，再烘干，得到三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。進一步地，本專利技術所述第一氯鹽與第二氯鹽的總質量是豆渣質量的5~10倍，優選的所述第一氯鹽與第二氯鹽的總質量是豆渣質量的8倍。進一步地，本專利技術所述NaNO3的總質量是豆渣質量的0.2~1倍，優選的所述NaNO3的總質量是豆渣質量的0.6倍。本專利技術的一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑，其中，采用如上任一所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法制備而成。本專利技術三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑具有較高的活性、較大比表面積和總孔體積。本專利技術的一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的應用，其中，將如上所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑用作燃料電池的陰極氧還原催化劑。本專利技術三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑顯示出很好的氧還原性能，可以作為陰極催化劑材料應用于燃料電池的氧還原催化反應中。下面通過實施例對本專利技術進行詳細說明。實施例1稱取豆渣1g，依次加入4gKCl、4gNaCl、0.6gNaNO3，充分混合；然后置于管式爐中，氮氣保護，900℃下碳化處理；最后用H2O洗滌到中性，烘干；再用2MHNO3浸泡20h，洗劑至中性，再烘干，即得三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。下面對本實施例制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的結構和性能進行分析說明。1、SEM分析圖1為本實施例制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的掃描電鏡（SEM）圖。從圖1中可以看出，該催化劑為三維蜂窩狀類石墨烯結構，三維蜂窩狀結構有利于電子的傳輸；類石墨烯的結構暴露了更多的活性位點，因而具有更好的催化性能。2、BET分析圖2為本實施例制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的氮氣吸脫附與孔徑分布圖。其BET表面積為1093.4m2·g-1，且總的孔體積為1.771cc·g-1，具有較大的比表面以及較大的總的孔體積。從孔徑分布圖上可以看出，材料也具有豐富的介孔結構，有利于氮氣的吸脫附，同時在氧還原中也有利于氧氣充分地與活性位點接觸。從氮氣吸脫附圖中可以看出，其滯后環為H3型，為中孔和微孔復合結構。3、催化性能測試圖3為本實施例制備的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑在0.1mo本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其特征在于，包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽充分混合；然后在惰性氣體保護下碳化處理；最后用H

【技術特征摘要】
1.一種三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其特征在于，包括步驟：將豆渣、硝酸鈉、第一氯鹽與第二氯鹽充分混合；然后在惰性氣體保護下碳化處理；最后用H2O洗滌至中性，烘干；再用酸浸泡12~24h后，洗滌到中性，再烘干，得到三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑。2.根據權利要求1所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其特征在于，所述第一氯鹽為NaCl。3.根據權利要求1所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其特征在于，所述第二氯鹽為KCl、LiCl、CaCl2中的一種。4.根據權利要求1所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化劑的制備方法，其特征在于，所述第一氯鹽與第二氯鹽的總質量是豆渣質量的5~10倍。5.根據權利要求1所述的三維蜂窩狀類石墨烯非金屬催化...

【專利技術屬性】
技術研發人員：呂維忠，陳伊麥，王榮方，季山，
申請(專利權)人：深圳大學，
類型：發明
國別省市：廣東,44