[发明专利]一种生物质焦油基双功能碳基电催化材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种生物质焦油基双功能碳基电催化材料及其制备方法，属于二次资源利用技术领域。该方法以生物质焦油为碳源，三聚氰胺为氮源，通过酸氧化在热解后的生物质焦油基碳材料表面构建含氧官能团，并利用有机合成反应机理实现氮杂原子在碳材料表面掺杂。所述的制备方法包括以下步骤：(1)将生物质焦油与造孔剂均匀分散混合；(2)将步骤(1)的混合物在管式炉中热解；(3)取出步骤(2)产物研磨后，在混酸溶液中氧化；(4)将步骤(3)中碳材料与氮源混合。将获得的用于能源转化时，具有高效双功能催化活性和优异的循环稳定性。本发明解决双功能催化剂成本高、循环稳定性差等问题，实现了生物质焦油的高值化利用，具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于能源转化技术领域，公开了一种生物质焦油基双功能碳基电催化材料及其制备方法。

背景技术

随着全球能源需求的不断增长，储能技术的发展势在必行。其中电化学储能以其较高的能量密度、较长的使用寿命和较低的自放电等优势受到了广泛的重视和应用。然而，缓慢的氧还原(ORR)动力学极大地限制了能源转化技术的发展。铂(Pt)基催化剂表现出优异的性能，对于强化阴极ORR至关重要。然而，铂的高成本、稀缺性和耐甲醇性差，难以实现在能源转化领域的广泛应用。贵金属合金、单原子、核壳结构及纳米限域结构被开发出来以减少贵金属的用量，然而实现纳微结构的大规模精准合成依然是一个巨大的挑战。过渡金属因其具有良好的稳定性，有希望作为贵金属催化剂的替代品引起了广泛关注。特别是最近开发的单原子催化剂(SAC)具有单独的Fe或Co单原子位置，以N掺杂碳为载体，由于其优异的ORR电催化性能和最大化的原子利用率，已成为最有希望的替代品之一。然而，过渡金属在使用过程中的浸出、团聚等问题依然亟待解决。因此，探索无金属催化剂替代金属催化剂具有十分重要的意义。

碳材料具有来源广泛、易于调控、稳定性好等优点，因此受到广泛的关注。但由于碳材料自身电荷分布均匀，其本征催化活性并不高。在碳材料中引入杂原子(氮、硫、硼、磷等)掺杂可以有效改善碳基材料的电子性质和化学反应性，从而显著改善材料的电化学性能。基于杂原子和碳原子之间电负性的差异，具有修饰电子结构的杂原子掺杂的碳界面原子畴具有较大的电荷极化、共轭长度的变化最小等特点，因此该原子畴可以传递高电化学活性。同时一些杂原子(如N和S)上的孤对电子作为载体促进电子迁移，可以改变碳材料π体系的空间结构，从而改变碳层的范德华力，这有利于调控材料对前驱体的吸附能力。一般来说，掺杂外来原子/基团的碳材料具有较高的表面活性，可以作为电化学反应中的电极材料，显著提高材料的催化性能。其中，氮原子具有和碳相近的原子尺寸以及更大的电负性，是碳基催化材料杂原子掺杂的主流方向。目前，杂原子掺杂的碳材料基底大多为碳纳米管、石墨烯、共价有机骨架(COFs)等。这些材料具有优异的导电性，这有助于强化界面与集流体之间的电子转移。这些先进碳基材料的制备方法，通常流程长、操作条件苛刻、制备过程需要复杂的前驱体。生物质焦油是生物质气化过程产生的副产物，廉价易得，其主要组分为苯的衍生物。在高温下，生物质焦油具有流动相的特点，且其中苯的衍生物易发生交联反应产生稠环碳，进而形成有序化度较高的碳基底。较高的有序化度是碳基催化材料具备优异导电性的重要保障。同时，生物质焦油中本身就含有少量的N、S等杂原子，通过调制，提高芳香环杂原子含量(N、S、O)，热解过程容易形成自掺杂分子结构，杂原子的掺入有利于加大碳电荷的极化，进而实现电催化活性的提高。因此，生物质焦油是一种优异的碳基催化剂原材料。本发明提供了一种生物质焦油基双功能碳基电催化材料及其制备方法，制备方法简单、绿色，易于大规模制备，并且该发明实现了廉价生物质焦油的高值化利用，有助于推动“碳中和”进程，所制备高效双功能碳基催化材料可广泛应用于全水电解、燃料电池、金属-空气电池等多种能源转化领域。

发明内容

为解决以下两个问题：(1)碳基电催化材料制备流程长、操作条件苛刻、需要复杂的前驱体；(2)废弃生物质焦油高值化利用。本发明提供了一种生物质焦油基双功能碳基电催化材料及其制备方法，包括以下步骤：

(1)将生物质焦油与造孔剂均匀分散混合；

(2)将步骤(1)的混合物热解；