[发明专利]一种合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法

说明书

本发明公开了一种合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法，该方法通过一步热解柚子皮、尿素、九水合硝酸铁、碱式碳酸锌和氯化锌混合物得到柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂，对碳材料进行氮掺杂后，其周围碳原子的电荷分布和自旋密度发生改变，碳材料表面暴露出更多的反应活性位点。本发明的模板剂采用铁基模板和锌基模板相结合，在热解过程中产生了微孔和中孔，微孔可以扩大相应碳材料的比表面积，中孔可以为离子传递提供一个低阻力的通道。

技术领域

本发明属于氧还原催化剂的制备技术领域，具体涉及一种合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法。

背景技术

随着能源需求的不断增加以及化石燃料对气候和环境的不利影响，开发清洁和可再生能源变得至关重要。电化学能量转换与储存在可再生能源的生产中发挥着至关重要的作用。在不同的电化学器件中，燃料电池和金属空气电池有很大的发展前景。氧还原反应（ORR）是这些器件的阴极反应，但是由于其动力学迟缓，限制了其功率输出，成为其实际应用的瓶颈之一。铂催化剂长期以来被认为是ORR最有效的电催化剂。然而由于金属铂价格昂贵、资源稀缺，加上缺乏长期稳定性和易受甲醇等各种化学物质的表面中毒等不利条件，因此，寻找合适的阴极材料来替代铂显得尤为重要。近年来，生物质衍生的无金属多孔碳材料作为催化剂由于其具有高比表面积、多级多孔结构、优良的导电性和优异的化学热稳定性等多种优良性能，已经被证明是一种有效的催化剂。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种简单、对环境友好且可大量制备的合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法，该方法通过一步热解柚子皮、尿素、九水合硝酸铁、碱式碳酸锌和氯化锌混合物得到柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂。对碳材料进行氮掺杂后，其周围碳原子的电荷分布和自旋密度发生改变，碳材料表面暴露出更多的反应活性位点。本发明解决的技术问题有：一、原料来源于生物废弃物，不仅很好的解决了对废弃材料的处理问题，而且符合对环境友好的要求。二、本发明提供了一种新型的模板剂的组合形式，采用铁基模板和锌基模板相组合，在热解过程中产生了微孔和中孔，既可以扩大相应碳材料的比表面积，也能够为离子传递提供一个低阻力的通道。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，一种合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法，其特征在于具体过程为：

步骤S1：将完全干燥、粉碎后得到的柚子皮粉末与尿素、九水合硝酸铁、碱式碳酸锌和氯化锌充分混匀后得到物料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60 min，再以8 ℃/min的升温速率升温至800℃并保温120 min，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24 h，再用高纯水洗涤至滤液呈中性，然后置于80 ℃鼓风干燥箱中干燥12 h得到柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂。

进一步优选，步骤S1中所述柚子皮粉末、尿素、九水合硝酸铁，碱式碳酸锌和氯化锌的投料质量比为1:1:0.5:0.6:0.6。

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。

进一步优选，所述合成柚子皮衍生多孔氮掺杂碳基氧还原催化剂的方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将1.0 g充分干燥后的柚子皮粉末和1.0 g尿素、0.5 g九水合硝酸铁、0.6g碱式碳酸锌以及0.6 g氯化锌置于研钵中充分混匀得到物料A4；

步骤S2：将步骤S1得到的物料A4置于管式炉中，在N₂氛围中以5 ℃/min的升温速率升温至300 ℃并保温60 min，再以8 ℃/min的升温速率升温至800 ℃并保温120 min，然后自然降温至室温得到物料B4；