[发明专利]一种利用土豆制备的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备与应用

说明书

本发明涉及一种利用土豆制备的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备与应用，催化剂的制备方法包括以下步骤：1)将土豆进行预处理，制得土豆泥；2)将土豆泥高温碳化，制得氮掺杂碳材料；3)将氮掺杂碳材料与活化剂混合，进行高温煅烧活化，得到活化后产物；4)除去多余的活化剂，即得到氮掺杂多孔碳催化剂，该催化剂作为燃料电池阴极催化剂，用于催化氧还原反应。与现有技术相比，本发明制备方法操作简单，成本较低，便于实现大规模工业化生产；制备得到的催化剂具有多级孔结构，比表面积和孔隙率高，且具有可调的氮元素含量及优异的ORR电催化性能。

技术领域

本发明属于材料学技术领域，涉及一种利用土豆制备的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备与应用。

背景技术

燃料电池作为一种高效且环境友好的能源转换装置，在家庭用电和汽车动力等方面有广泛的应用前景，是未来可持续能源发展体系的重要一环。燃料电池阴极氧还原反应(Oxygen Reduction Reaction，ORR)由于动力学过程非常缓慢，成为决定燃料电池总体性能的关键步骤。目前，Pt基催化剂由于其很高的催化活性，仍然是最主要的ORR催化剂。然而，贵金属Pt由于资源匮乏、价格昂贵、稳定性较低以及易受燃料(如甲醇等)交叉反应影响等问题，严重限制了其商业化发展。近年来，碳基材料由于具有许多独特的结构和性能，一直备受研究人员的关注。研究人员发现，在碳基材料中掺入异种原子(如N、P、S等)可以改变碳材料的电子结构，从而提高材料的ORR电催化性能。

然而，目前的异种原子掺杂碳基材料的制备过程复杂，制备成本较高，且材料的ORR电催化性能和稳定性仍难以满足需求。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种利用土豆制备的氮掺杂多孔碳催化剂及其制备与应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种利用土豆制备氮掺杂多孔碳催化剂的方法，该方法包括以下步骤：

1)将土豆进行预处理，制得土豆泥；

2)将土豆泥高温碳化，制得氮掺杂碳材料；

3)将氮掺杂碳材料与活化剂混合，进行高温煅烧活化，得到活化后产物；

4)除去多余的活化剂，即得到所述的氮掺杂多孔碳催化剂。

进一步地，步骤1)中，所述的预处理过程为：将土豆煮熟，之后研磨成土豆泥，并进行烘干。

进一步地，步骤2)中，所述的高温碳化过程中，碳化温度为600-1000℃，碳化时间为2-4小时。

进一步地，步骤2)中，所述的高温碳化过程在惰性气氛中进行。惰性气氛为Ar或N₂气氛。

进一步地，步骤3)中，所述的活化剂为KOH。

进一步地，步骤3)中，所述的混合过程为：将氮掺杂碳材料与活化剂加入至水中，搅拌均匀后烘干。

作为优选的技术方案，所述的氮掺杂碳材料与活化剂的质量比为1:1-4。

进一步地，步骤3)中，所述的高温煅烧活化过程中，活化温度为650-900℃，活化时间为1-3小时。

作为优选的技术方案，所述的高温煅烧活化过程在惰性气氛中进行。

进一步地，步骤4)中，除去多余活化剂的方法为：用酸性溶液浸泡活化后产物，之后洗涤、干燥。浸泡时间优选为2-4小时。

作为优选的技术方案，所述的酸性溶液优选为HCl溶液，该HCl溶液的浓度为0.1-2mol/L。

一种利用土豆制备的氮掺杂多孔碳催化剂，该催化剂采用所述的方法制备而成。