[发明专利]氮自掺杂多孔石墨碳MFCs空气阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了氮自掺杂多孔石墨碳MFCs空气阴极催化剂的制备方法。本发明利用废弃的山竹果皮生物质来制备多孔石墨生物质碳，利用了生物质材料中本身含有的氮元素进行掺杂而不需要外加氮源，结合KOH的活化和Co²⁺催化石墨化，制备过程简单，成功地将山竹果皮生物质转化为用于MFC空气阴极的高性能ORR催化剂。

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体涉及氮自掺杂多孔石墨碳MFCs空气阴极催化剂的制备方法。

背景技术

微生物燃料电池(Microbial Fuel Cells，MFCs)是一种处理废水中有机物的同时又可产生电能的“绿色”技术，在可持续发展和新能源开发领域上具有重要意义。

空气阴极MFCs以其结构简单，效率高，成本低廉等优点，是MFCs主要的研究方向之一。现有的空气阴极MFCS也存在缺点，如：氧还原反应(ORR)的动力学迟缓，高的过电势以及氧气的传质阻力导致空气阴极MFCs的ORR性能差。因此，开发出高效，低成本，稳定性好的空气阴极氧还原催化剂，对于MFCs的大规模应用至关重要。

现有技术开发出了多种空气阴极氧还原催化剂，贵金属铂(Pt)基催化剂具有高电催化活性，是MFCs研究和应用较多的一种氧还原催化剂。但是Pt的成本昂贵，生产和使用成本较高，难以进行大规模生产应用。碳基材料被认为是Pt基催化剂的最佳替代品之一。碳基催化剂的比表面积和孔结构是影响ORR性能的重要因素。

现有技术通常使用化学活性剂对碳基材料进行活化处理来获得高比表面积的多孔结构,但是添加化学活化剂会降低材料的石墨化程度，从而降低其导电性。而其他制备多孔石墨碳材料的方法，例如使用二氧化硅或表面活性剂的牺牲模板法，需要用到昂贵的前驱体材料并且制备过程较为复杂，也难以进行大规模的市场应用。

生物质作为含碳前驱体，具有丰富性、可再生性以及价格低廉等特点，其独特的天然结构以及其丰富的元素组成对合成炭材料具有重要的作用。

因此，开发一种低成本、高效率的方法来制备具有合适的多孔结构，高石墨化度，同时进行适当的杂原子掺杂，对于碳材料在ORR催化剂领域的应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述问题，提出了一种以山竹果皮作为碳源和氮源，结合KOH活化和Co²⁺催化石墨化的低成本高效合成氮自掺杂多孔石墨碳的策略。

本发明公开的技术方案如下：

氮自掺杂多孔石墨碳MFCs空气阴极催化剂的制备方法，包括如下步骤：

S1.将山竹果皮反复用去离子水洗涤，然后在100-120℃下干燥，将干燥后的山竹果皮粉碎成粉末，得到产物A；

S2.将产物A在氮气保护下，以5-8℃/min的加热速率加热至400℃，然后热解2-3h，得到深黑色产物，研磨后得到产物B；

S3.将产物B加入到CoCl₂水溶液中，在搅拌的条件下浸泡6-10h，然后固液分离取固相，干燥后加入KOH溶液中，在搅拌状态下反应6-10h，再次分离出固相，干燥后得到产物C；

S4.将产物C在在氮气的保护下，以5-8℃/min的加热速率加热至600-850℃，然后煅烧2-3h，得到黑色的产物D；

S5.将产物D浸入HCl溶液中反应8-12小时，然后分离固相使用去离子水反复洗涤至中性，干燥后得到氮自掺杂多孔石墨碳。

作为改进，S1中所述干燥在烘箱中进行，干燥时间为10-12小时。

作为改进，S3中所述CoCl₂水溶液的浓度为0.05mol/L，所述产物B与CoCl₂的质量比为1:1-2:1。