[发明专利]一种生物质碳气凝胶电催化析氘材料的制备方法及应用

说明书

本发明属于电催化材料领域，公开了一种生物质碳气凝胶电催化析氘材料的制备方法及应用。该析氘材料是通过对椴木进行化学药剂处理去除其中的木质素和半纤维素，冷冻干燥处理后再进行高温碳化处理，最后再通过化学还原法在碳气凝胶载体上沉积负载活性组分，即得本发明中的生物质碳气凝胶电催化析氘材料。本发明通过去除木质素和半纤维素使木材在天然生长时产生的层状多孔结构暴露了出来，从而将活性组分和碳气凝胶进行有效的结合，在析氘应用时可对电解质的传输、离子和气体的扩散起到积极的促进作用。本发明的析氘材料催化活性高、稳定性好，且原材料来源广泛、制备方法简单，有利于实现工业化规模生产。

技术领域

本发明属于电催化材料领域，具体涉及一种生物质碳气凝胶电催化析氘材料的制备方法及应用。

背景技术

氘（deuterium），是自然形成的、稳定态的氢（ h）的同位素，也被称为重氢，元素符号一般为D或²H。氘可用于热核反应，同时氘被称为“未来天然燃料”。氘气最初主要应用于军事研究，如核能工业、核武器等，随着时代发展，氘气应用逐步扩展到民用工业中，如光纤材料，特殊灯源等，研究氘气制备技术也具有重要意义。

随着科技的发展，越来越多的氘气制备技术被提出，不同技术应用效果有所不同，只有科学选择制备技术才能达到理想效果。氘气的制备方法主要包括：液氢精馏技术、重水电解技术、气相色谱法等等，其中重水电解技术采用电解水装置，以碱金属的氘氧化物为电解质或固体聚合物电解重水。通过该技术制备氘气纯度较高，只需要对已制备的氘气进一步纯化即可。纯化的重点主要是去除杂质，降低氘气所含的氢同位素杂质氕。只是电解过程中存在能耗问题，但是可以通过降低工作电压来提高能量效率，主要策略有：减小电极间距离、提高工作压力、提高工作温度、改变电极材料等。

本发明主要是从电极材料方面切入，通过使用具有高比表面积的生物质碳气凝胶作为催化剂材料的载体，使催化剂具有较多的活性位点，并且其结构在析氘应用时也可对电解质的传输、离子和气体的扩散起到积极的促进作用。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种生物质碳气凝胶电催化析氘材料的制备方法及应用，本发明的生物质碳气凝胶电催化析氘材料具有优越的析氘反应效果和较好的稳定性，具有优异的工业电化学制氘应用前景。

本发明提供的技术方案如下：

一种生物质碳气凝胶电催化析氘材料的制备方法，包括具体如下步骤：

1）将椴木置于氢氧化钠和亚硫酸钠溶液中，于80-95℃下加热处理8-12 h，目的是通过碱液和硫酸根离子溶解椴木中的木质素和半纤维素；

2）将1）步骤处理完的椴木置于双氧水溶液中，于60-80℃下加热处理6 -8h，目的是进一步去除椴木中的木质素和半纤维素；

3）将2）步骤处理完的椴木置于冷冻干燥机中于-56℃下处理8-10 h，目的是通过使气凝胶在干燥过程中木材内部管道不受溶剂表面张力的影响，内部管道不变形；

4）将3）步骤处理完的椴木通过管式炉在惰性气体的保护下于高温下碳化处理一定时间；

5）待4）步骤高温碳化处理完成，得到碳化的碳气凝胶，待设备降温后将碳化的碳气凝胶取出，通过球磨机破碎10-12h将其破碎成细小颗粒，作为载体备用；

6）称取一定量的5）步骤制得的生物质碳气凝胶作为催化剂载体，然后再称取一定量的钌盐，将钌盐、碳气凝胶以及无水乙醇置于烧杯中搅拌混合1 h，然后取硼氢化钠溶液作为还原剂，缓慢滴加于烧杯中，可观察到有氢气气泡从液面冒出；

7）待6）步骤的硼氢化钠还原结束，将烧杯中的固液混合物使用布氏漏斗进行过滤分离，最后将过滤得到的固体物置于真空干燥箱中干燥，即制得生物质碳气凝胶电催化析氘材料。

进一步的，1）步骤中氢氧化钠和亚硫酸钠的浓度分别为5M 和1M ；2）步骤中双氧水的浓度为15%，即30%浓度双氧水加等量的去离子水。