[发明专利]一种3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法

说明书

本发明公开了一种3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法，将碳前驱体橘子皮粉、致孔剂乙酸锌和葡萄糖酸锌混合均匀得到物料A；将物料A经高温焙烧后得到物料B；将物料B转移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高纯水洗涤至滤液为中性，然后置于105℃鼓风干燥箱中干燥6h得到目标产物。本发明成本较低，操作简易，环境友好，制得的3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂具有优异的ORR/OER双功能活性、稳定性、耐甲醇干扰性、锌空电池充放电平稳定和电池耐久性。

技术领域

本发明属于杂原子掺杂多孔碳氧还原（ORR）/氧析出（OER）双功能催化剂的合成技术领域，具体涉及一种应用于锌空电池的3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法。

背景技术

锌空电池是一类特殊的燃料电池，正极利用空气中的氧，负极采用金属锌，电解液采用高浓度碱性电解液，已有100多年的发展历史。可直接再充式锌空电池在运行过程中金属锌电极发生溶解或沉积，放电产物溶解在碱性电解液中；空气中的氧气在负载双功能电催化剂的空气电极中，进行ORR/OER电化学反应，完成电能与化学能相互可逆转换。化学方程式如下：

负极：Zn+2OH^–→ZnO+H₂O+2e^–

正极：O₂+2H₂O+4e^–→4OH^–

总反应：2Zn+O₂→2ZnO

锌空电池具有高的能量特性，电池正极使用空气中的氧气作为活性物质容量无限，电池比能量取决于负极容量，可达到350-500Wh/kg；锌空电池具有较高的安全性，不易燃水电解质、运输时无危险、不含有毒物质；锌空电池具有高的环保性，绿色环保，产物零污染；具有灵活定制等特点，可以打破多个蓄电池市场的现有竞争格局，是一项非常具有市场竞争力和广阔市场空间的技术。

美中不足的是目前用于锌空电池正极的催化剂为贵金属 Pt、Ir或Ru等，这些贵金属原料稀缺、价格昂贵、抗小分子毒害能力差。因此亟需开发ORR/OER性能优异、稳定性好、抗毒害性能好且价格低廉的阴极催化剂，从而大大降低锌空电池的制造成本。近年来，生物质衍生杂原子（N、P、S、F、B等）掺杂多孔碳材料由于具有优异的ORR/OER双功能催化活性、强的抗甲醇干扰和抗CO中毒的能力且成本低廉，引起了科研工作者广泛的关注。目前为止，锌空电池ORR/OER双功能催化剂的相关专利较多，达一百多项。其中百分之九十以上关于金属掺杂材料，只有近百分之十为非金属杂原子掺杂碳材料且为氮单掺杂碳材料，且制备过程复杂。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种工艺简单、成本低廉的3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法，该方法通过碳化生物废弃物橘子皮和双致孔剂乙酸锌、葡萄糖酸锌的混合物，合成了一种具有ORR/OER双功能活性的3D交联多级孔杂原子（N、S、P、F、B）掺杂碳阴极催化剂。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂的制备方法，其特征在于具体步骤为：

步骤S1：将碳前驱体橘子皮粉末和双致孔剂乙酸锌、葡萄糖酸锌充分混合均匀得到物料A；

步骤S2：将物料A转移至瓷舟中并放置于管式炉中，在惰性气体保护下，由室温经过60min升温至300℃并于300℃保持60min，再以10℃/min的升温速率升温至900℃并于900℃保持120min，然后自然降温至室温得到物料B；

步骤S3：将物料B转移至容器中并加入酸性溶液浸泡24h，再用高纯水洗涤至滤液为中性，然后置于105℃鼓风干燥箱中干燥6h得到目标产物具有ORR/OER双功能活性的3D交联多级孔杂原子掺杂碳阴极催化剂。

进一步优选，步骤S1中所述碳前驱体橘子皮粉末和双致孔剂乙酸锌、葡萄糖酸锌的投料质量比为1:2:2。

进一步优选，步骤S2中所述惰性气体为氮气或氩气中的一种或多种。