[发明专利]一步合成自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂的方法

说明书

本发明公开了一步合成自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂的方法，具体过程为：将粉碎后的菊花叶前驱体和模板剂ZnCl₂/Zn(OH)₂混合搅拌得到物料A；将物料A转移至刚玉舟并置于管式炉中烧结得到物料B；将物料B转移至酸性溶液浸泡，再洗涤至滤液呈中性，然后干燥得到菊花叶衍生的分层多孔碳材料氧还原催化剂。本发明通过加入双模板的ZnCl₂/Zn(OH)₂调控材料的比表面积，丰富孔结构，有利于增加氧还原催化剂的活性位点，从而提高氧还原催化活性。本发明制得的自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂具有优异的氧还原催化性能。

技术领域

本发明属于氧还原催化剂的制备技术领域，具体涉及一种一步合成自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂的方法。

背景技术

能源需求的增长和化石能源的过度使用污染以及破坏环境是当前社会发展面临的重要矛盾。为了缓解这一状况，燃料电池和金属-空气电池作为新一代环保型储能转换装置得到了迅速发展。由于燃料电池阴极氧还原反应的ORR反应动力学迟缓，严重制约了燃料电池的发展。铂基材料虽然可以作为阴极材料解决这一技术问题，但由于其资源短缺、价格较高、耐久性差、耐甲醇性差等原因不能长期使用。因此，寻找合适的阴极材料来替代铂基材料显得尤为重要。近年来，生物质衍生的无金属掺杂多孔碳材料作为催化剂得到了广泛的研究。由于具有高比表面积、多级多孔结构、优良的导电性和优异的化学热稳定性，生物质衍生的多孔碳材料已被证明是一种有效的氧还原催化剂。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种简单、低成本、对环境友好且可大规模制备的一步合成自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂的方法，该方法通过一步热解菊花叶前驱体、氢氧化锌和氯化锌混合物得到一系列自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂。本发明解决的技术问题有：一、原料来源非常广泛，前驱体来源于菊花的叶子，符合对环境友好的要求，而且菊花在全世界各地都有广泛的种植，因此原料来源非常广泛。二、该前驱体中含有丰富的C、N、O、P、S、F等元素，多种杂元素的掺杂可以调节碳原子电荷的再分布，从而提高电子传递能力，并引入边缘缺陷来提高电化学活性，所以合成过程中不需要引入外加的杂原子源，因此大大减少了制备过程中所需要的人力、物力、财力，而且实验过程一步完成，十分简洁高效。三、本发明提供了一种新型的活化剂及模板剂组合形式，即采用质量比为1:1的ZnCl₂与Zn(OH)₂的组合形式，在热解过程中产生了微孔、中孔和大孔，微孔可以扩大相应碳材料的比表面积，介孔可以为离子传递提供一个低阻力的通道，而大孔可以减小离子扩散距离。因此，多级多孔碳结构可以显著提高其电化学催化性能。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一步合成自掺杂菊花叶衍生碳基材料氧还原催化剂的方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：将菊花叶清洗干净后进行干燥、粉碎，将粉碎后的菊花叶前驱体与模板剂ZnCl₂和Zn(OH)₂进行混合搅拌后得到物料A；

步骤S2：将步骤S1得到的物料A转移至刚玉舟并置于管式炉中，在惰性气氛保护下，以5℃/min的升温速率升温至300℃并保温60min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃并保温120min，然后自然降温至室温得到物料B；

步骤S3：将步骤S2得到的物料B转移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后置于60℃鼓风干燥箱中干燥12h得到菊花叶衍生的分层多孔碳材料氧还原催化剂。

进一步优选，步骤S1中所述菊花叶前驱体与模板剂ZnCl₂和Zn(OH)₂的质量比为2:1:1。

进一步优选，步骤S2中所述惰性气体为氮气。

进一步优选，步骤S3中所述酸性溶液为浓度2M的盐酸溶液。