[发明专利]利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品

说明书

本发明属于能源环境和电化学领域，并公开了一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品。所述方法包括S1将分筛后的豆渣与去离子水混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却、洗涤得到水热炭S2将水热炭与磷酸盐溶液按照一定比例混合，经蒸发、干燥和研磨后，得到炭、盐混合物S3将炭、盐混合物升温、经高温掺杂处理后，冷却至室温，经洗涤得到生物炭基氧还原反应催化剂。本发明还公开了相应的产品。本发明通过使用豆渣作为原料，制备具有良好催化活性的生物炭基氧还原反应催化剂，避免豆渣造成的环境污染及资源浪费，所制备的生物炭基氧还原反应催化剂具有较大的比表面积和良好的耐久性、抗中毒性能。

技术领域

本发明属于能源环境和电化学技术领域，更具体地，涉及一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品。

背景技术

燃料电池(Fuel Cells，FC)是一种能够连续不断地将储存在燃料与氧化剂中的化学能等温地转化为电能的电化学发电装置，因其具有转换效率高、环境亲和性好、能量密度高、工作无噪音、启动速度快和运行质量稳定等优势引起了国际范围内的广泛关注。目前，铂系贵金属仍是用作燃料电池阴极ORR反应的优良电催化剂材料，但却存在着制备成本高、资源稀缺匮乏和耐久性差等缺点。同时，在“十三五”规划新能源汽车重点专项中已经提出了明确的目标，我国到2020年预计要实现膜电极的铂用量≤0.2g/kW，耐久性≥1.0×104h。因此，想要实现燃料电池大规模的产业化，必需在新型高效的低铂或无铂ORR催化剂应用技术上取得实质性突破。

近年来，不少研究均表明石墨烯、碳纳米管等碳基掺杂材料可以表现出优良的ORR催化活性及可靠性。然而，石墨烯和碳纳米管的制备过程较为复杂，成本较高，尚不符合商业化的条件。而生物炭基材料作为一种高效、绿色、多功能的催化剂载体备受关注。生物质种类繁多、价格低廉、数量庞大，不同研究者以生物质为原料，通过水热、热解方式制备生物炭，且通过调控制备(如掺杂、活化等)过程即可调控孔隙结构的形成以及杂原子的掺杂，特别是介孔和起主要作用的杂原子基团，进而促进质子传输以及催化活性位点的增加。

豆渣是豆制品(如豆腐、豆浆、腐乳及其它豆制品)生产过程中的主要废弃物，其中具有十分丰富的蛋白质、脂肪、钙、磷、铁等多种营养物质。豆渣的主要成分是蛋白质18-23％、脂肪12-13％、灰分2.76％、粗纤维50-55％以及可溶性膳食纤维6.55％。我国是豆腐的发源地，豆腐的生产历史十分悠久，每年的产量和销售量都十分庞大，相应地豆渣的产量也很大，但对豆渣的利用率却不高，成的环境污染及资源浪费等问题。另一方面，现有技术中采用铂等贵金属材料作为燃料电池阴极催化剂存在的成本高、制备工艺复杂等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品，通过使用氮元素含量较高的豆渣作为原料，制备具有良好催化活性的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，一方面降低现有铂等贵金属材料作为燃料电池阴极催化剂存在的高成本问题，避免豆渣造成的环境污染及资源浪费等问题，同时，所制备的生物炭基氧还原反应催化剂具有较大的比表面积和良好的耐久性、抗中毒性能。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将分筛后的豆渣与去离子水按一定比例混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却至室温，经过滤、洗涤得到水热炭；

S2将所述水热炭与磷酸盐溶液按照一定比例混合，得到混合溶液，将所述混合溶液经蒸发、干燥和研磨处理后，得到炭、盐混合物；

S3将所述炭、盐混合物在惰性气体氛围下进行升温，经高温掺杂处理后停止加热，冷却至室温，并依次进行酸洗、水洗和干燥，得到氮、磷共掺杂的生物炭基氧还原反应催化剂。