[发明专利]一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球电催化剂及其制备方法和应用

说明书

本发明属于电催化新能源材料技术领域，具体涉及一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球电催化剂及其制备方法和应用。本发明通过在碳源中掺杂硼、氮、磷等元素制备了一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球，并将其作为ORR反应合成过氧化氢的电催化剂，并通过改善催化剂结构，增加催化活性位点的方式，提高电催化活性和稳定性。本发明制备的杂原子掺杂核壳纳米球电催化剂具有电子及表面结构易于调节，活性和稳定性较高等优势。利用本发明所述核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球BNP‑NHCS在电催化制备H₂O₂的过程中还能够进行原位降解抗生素，具有优异的性能。本发明的合成方法为两电子氧化还原（ORR）电催化工艺在环境改善领域的应用奠定了基础。

技术领域

本发明属于电催化新能源材料技术领域，具体涉及一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球电催化剂及其制备方法和应用。

背景技术

作为一种非常重要的无机化工原料和精细化工产品，过氧化氢（H₂O₂）已广泛用于医疗、化学和环境修复等领域，由于它的高氧化、低成本和环保的特性，同时也被认为是环境污水处理和制备消毒产品的最佳原材料之一。然而，现行的过氧化氢工业化规模生产仍然依赖于能量密集的蒽醌工艺，该工艺涉及复杂的反应步骤和有毒的有机溶剂，反应过程中需要处理副反应的产物，同时还需要解决提取和纯化过程等诸多问题，为此，急需一种高效、绿色合成过氧化氢的替代方式。

氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）和析氢反应（HER）是实现能量储存和转化的常见电化学反应，其中氧还原反应（ORR）通常包括两类反应途径：一是储能领域重要的半电池反应，主要是O₂通过4e^-还原为H₂O，二是以过氧化氢为产物的2e^-还原反应，而在大多数电化学反应的研究中，后者往往容易被忽视。而电催化2e^-氧还原反应（ORR）能够实现过氧化氢的原位和按需生产，是一种简单且环保生产过氧化氢的工艺方法。

现行的氧还原反应（ORR）生产过氧化氢大多采用金属作为催化剂主要成分，目前，使用最广泛、催化活性最好的ORR催化剂为贵金属铂(Pt)基催化剂，然而，Pt价格高、储量少、易中毒等缺点限制了其大规模商业化。同样的，与铂(Pt)基催化剂类似的Au，Pd，Pd-Hg和Au-Pd等贵金属催化剂也具有稀缺性和高成本等缺点。

近些年来，在多研究中，碳基材料作为ORR催化剂，因其具有储量丰富，成本低，电子结构易于调节，稳定性极佳等特点脱颖而出。例如，公开号为CN103332687A的中国专利公开了一种以生物质为碳源制备硼氮共掺杂石墨化纳米碳的方法，此专利中，通过将生物质作为碳源与含硼化合物、含氮化合物混合后，再经过碳化处理、酸处理得到硼氮共掺杂石墨化纳米碳，可以对产物中氮、硼的含量进行调控，获得了一种纳米材料。

同时，一些研究表明，采用杂原子共掺杂的方式已经成为改变碳基材料电子和表面结构，从而调节不同反应的催化活性的有效的手段，而这种方式也满足了ORR反应中催化剂需要有高选择性的要求。但是，现有技术中采用杂原子共掺杂获得的碳基电催化剂中往往存在催化效率低或者稳定性差的问题。

基于此，本发明通过在碳源中掺杂硼、氮、磷等元素制备了一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球，并将其作为ORR反应合成过氧化氢的电催化剂，以期通过改善催化剂结构，增加催化活性位点的方式，提高电催化活性和稳定性。

发明内容

本发明基于现有技术中存在的问题，提供了一种制备核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球电催化剂的方法，该方法制备的杂原子掺杂核壳纳米球电催化剂具有电子及表面结构易于调节，活性和稳定性较高等优势，且合成方法价格低廉，合成简便，可规模化生产，实现工业化应用。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种核壳球型B、N、P共掺杂碳纳米球电催化剂的制备方法，包括以下步骤：