[发明专利]木质宏观多孔碳催化电极材料及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种木质宏观多孔碳催化电极材料，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经高温碳化处理所得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀镶嵌于微孔道结构的侧壁内。本发明还公开了一种制备如上所述的木质宏观多孔碳催化电极材料的方法，包括以下步骤：原木薄片和金属盐溶液通过水热法处理制备原木/金属氧化物复合前驱体；所述原木/金属氧化物复合前驱体经过两步高温碳化处理，制作木质宏观多孔碳催化电极材料。所述的木质宏观多孔碳催化电极材料在电催化技术领域有着广阔的应用前景。所述的木质宏观多孔碳催化电极材料生产成本低廉，生产工艺简单，而且同时具有优越的电催化性能。

技术领域

本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种木质宏观多孔碳催化电极材料及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，光催化和电催化分解水析氢反应（HER）被认为是将可持续、清洁太阳能转化为清洁能源载体的两种最有效的方法。电催化分解水可持续、规模化生产氢气，是一种解决能源危机和环境污染问题的有效方案，但需要高效、长期稳定的电催化剂材料。目前，关于电催化析氢的研究仍处于起步阶段，而其许多应用亟需大规模、可重复地制备价格低廉和性能优良的电催化电极材料。目前，Pt基材料和Ir/Ru氧化物分别是在强酸性和碱性条件下HER和OER的基准催化剂材料。然而，这些贵金属基催化剂的丰度低、成本过高，难以应用于规模化制氢反应，因此寻求廉价、高效和稳定的替代品是目前实现规模电催化制氢的前提。同样重要的是，文献报道的电催化材料多为粉状活性材料，在实际应用中需要使用绝缘聚合物粘合剂和导电添加剂将活性材料固定在导电基底上，这将不可避免地导致活性位点的阻塞，不利于传质和电子传输，从而极大抑制电催化活性。因此制备价廉、高性能的整体碳基电催化剂显得尤为迫切，但仍然面临巨大的挑战。另外，现有技术中提供了多种电催化电极材料，包括金属纳米材料、金属合金材料、金属复合物材料等，但这些材料在制备和应用过程中有着共同的不足之处：制备方法复杂、制作成本高、后处理方法繁琐。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种制备方法简单、成本低廉、原料来源广泛、电催化活性高的木质宏观多孔碳催化电极材料。

还有必要提供一种制备上述木质宏观多孔碳催化电极材料的制备方法。

还有必要提供一种上述木质宏观多孔碳催化电极材料在电催化技术领域的应用。

本发明解决其技术问题所采用的技术手段为：一种木质宏观多孔碳催化电极材料，包括载体及负载于所述载体内的金属粒子，所述载体为原木经碳化处理得到的整体多孔碳，且内部具有贯通的微孔道结构，所述金属粒子均匀分布并镶嵌于微孔道结构的侧壁内。

优选地，所述金属粒子为Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Ir、Ru、Mo、Au、Ag、Cu中的至少一种。

一种制备如上所述的木质宏观多孔碳催化电极材料的方法，包括以下步骤：

将原木去皮，按预定尺寸切割成薄片状，获取原木薄片；配制预定浓度的金属盐溶液，备用；

将原木薄片浸入金属盐溶液，通过水热法处理，制备得到原木/金属氧化物复合前驱体；

将所述原木/金属氧化物复合前驱体经两步碳化处理，制作木质宏观多孔碳催化电极材料。

优选地，所述原木/金属氧化物复合前驱体的制备方法包括以下步骤：

将所述原木薄片完全浸入预定量的金属盐溶液中，于120 ℃～220 ℃的温度下水热加热2 h～6 h，然后进行真空干燥处理，以制备原木/金属氧化物复合前驱体。

优选地，所述两步碳化处理包括：

将所述原木/金属氧化物复合前驱体首先于温度为235 ℃～285 ℃的马弗炉中加热2 h～6 h，然后于750 ℃～1200 ℃的温度下，惰性气体气氛煅烧4 h～6 h，以制作木质宏观多孔碳催化电极材料。