[发明专利]一种碳材料及其制备方法与应用于电催化生产双氧水

说明书

本发明公开了一种碳材料及其制备方法与应用于电催化生产双氧水。该碳材料通过高温碳化核桃仁皮制备，将该材料分散在乙醇溶液中后滴在碳布上，再用于电催化氧气还原反应，反应产物为水（4e^‑途径）：O₂+4H⁺+4e^‑→2H₂O；或者水和双氧水（2e^‑途径）：O₂+2H⁺+2e^‑→H₂O₂，H₂O₂+2H⁺+2e^‑→2H₂O。该材料廉价、可再生、可大规模生产制备；具有多孔结构，可促进氧气的扩散；有微量的金属元素，提高碳材料的导电性能以促进电子的传输。在碱性条件下，将该碳材料用于电催化氧气还原反应时，对于氧气还原的途径具有较高的选择性，具体来说，对氧气还原反应的2e^‑途径产生双氧水中间产物有较高的库伦效率。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种碳材料及其制备方法与应用于电催化生产双氧水。

背景技术

双氧水(过氧化氢)既有氧化性又有还原性并且使用后无二次污染，被定义为绿色化工产品，而广泛应用于化学品合成、医药制备、工业漂白、军工、食品和环境等多个领域，具有广阔发展前景。目前工业上大规模生产双氧水的最成熟的方法是蒽醌法，但蒽醌法不仅步骤繁琐，还会用到一些有机溶剂，使得在制备过程中对环境造成二次污染，因此寻找一种绿色高效的方法生产双氧水迫在眉睫。

在电化学还原O₂变成H₂O的反应中，有两种反应途径，即4e^-途径：O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O和2e^-途径O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂，H₂O₂+2H⁺+2e^-→2H₂O，而催化剂的选择是决定反应途径的关键因素之一，因此，选用一种合适的催化剂可以促进氧气还原反应的2e^-途径，产生并积累大量H₂O₂，达到小规模高效绿色生产双氧水的目的。目前电催化氧化还原反应的高效催化剂，大部分都是催化选择4e^-途径；少数贵金属催化剂可以催化选择2e^-途径，却价格昂贵，并且要精确控制催化剂的结晶性和晶面等，制备条件苛刻。碳材料电催化氧气还原反应的性能不高，却可以促进2e^-途径的发生，从而有利于生成双氧水。

发明内容

为了解决现有技术的缺点与不足之处，本发明的目的在于提供一种碳材料及其制备方法与应用于电催化生产双氧水，该制备方法简单、原材料廉价可再生、易于工业化大规模生产，制备得到的碳材料在电催化还原氧气生产双氧水的过程中具有高选择性。

本发明的目的通过以下技术方案实现。

一种碳材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)将核桃放入温水中浸泡后剥脱核桃仁皮待用，然后将核桃仁皮依次放在水和乙醇中超声，再放入鼓风干燥箱中干燥；

(2)将干燥后的核桃仁皮在氩气气氛下高温煅烧，得到多孔的碳材料。

优选的，步骤(1)中所述温水的温度为50～90℃；所述超声的时间为3～5h；所述干燥的温度为60～80℃。

优选的，步骤(2)中所述氩气的流速为40～70mL/min。