一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法及其應用技術

本發明專利技術涉及氧還原催化劑技術領域，且公開了一種S?Co?N原位共摻雜多孔碳，Co

【技術實現步驟摘要】
一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法及其應用
本專利技術涉及氧還原催化劑
，具體為一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法及其應用。
技術介紹
近年來對于新能源存儲和轉換裝置，如氧還原催化劑、超級電容器、燃料電池等研究越來越廣泛，其中燃料電池、鋅-空氣電池等具有能量密度大、成本低廉、環境友好等優點，具有廣闊的應用前景，燃料電池、鋅-空氣電池的放電和充電過程分別為ORR氧還原反應和OER析氧反應，但是ORR氧還原反應過程涉及復雜的中間反應和多步電子轉移過程，并且ORR氧還原反應在動力學上反應緩慢，因此需要加入催化劑促進氧還原反應四電子的還原途徑。目前的氧還原反應催化劑主要為IrO2、RuO2等貴金屬催化劑，但是貴金屬催化劑價格昂貴、儲量稀少，因此需要開發廉價易得，氧還原催化活性高的催化劑，多孔碳具有豐富的孔隙結構和巨大的比表面積，電化學性質優異，并且可以通過摻雜進金屬或非金屬雜原子，形成Co/N/C、Fe/N/C等氧還原催化位點，具有良好的氧還原催化活性，是一種極具發展氧還原反應催化劑，因此開發和合成新型多孔碳基氧還原催化劑成為研究熱點。(一)解決的技術問題針對現有技術的不足，本專利技術提供了一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法及其應用，具有豐富的Co/N/C氧還原催化活性位點和優異的氧還原催化活性。(二)技術方案為實現上述目的，本專利技術提供如下技術方案：一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，所述S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法包括以下步驟：(1)向反應瓶中加入氫氧化鈉的甲醇溶液和殼聚糖，勻速攪拌進行溶脹，再加入二硫化碳的乙醇溶液，置于回流反應裝置中，加熱至45-50℃，回流反應12-24h，真空干燥除去溶劑，使用去離子水離心洗滌并干燥，得到黃原酸化殼聚糖。(2)向反應瓶中加入去離子水、戊二醛和黃原酸化殼聚糖，加熱至50-80℃，反應12-24h，離心洗滌并干燥，得到黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球。(3)向反應瓶中加入去離子水、鈷源和黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球，勻速攪拌12-24h，進行吸附過程，過濾溶劑、使用去離子水洗滌后干燥，得到Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體。(4)將Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體置于氣氛爐中，進行高溫煅燒過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜碳材料。(5)將S-Co-N原位共摻雜碳材料與氫氧化鈉混合均勻，置于氣氛爐中，進行活化制孔過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其應用于氧還原反應催化劑中。優選的，所述步驟(1)中的殼聚糖和二硫化碳的質量比為100:5-15。優選的，所述步驟(1)中的回流反應裝置包括磁力攪拌加熱器，磁力攪拌加熱器上方設置有水浴鍋，水浴鍋上方設置有卡槽，卡槽與滾輪活動連接，滾輪活動連接有蓋板，水浴鍋內部設置有載物臺，載物臺上方設置有反應瓶，反應瓶上方活動連接有冷卻循環管，冷卻循環管內部設置有冷凝管，冷凝管固定連接有出水孔和進水孔。優選的，所述步驟(2)中的戊二醛和黃原酸化殼聚糖的質量比為15-25:10。優選的，所述步驟(3)中的鈷源為硝酸鈷或氯化鈷，與黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球的質量比為40-80:10。優選的，所述步驟(4)中的高溫煅燒過程為氮氣氛圍，升溫速率為2-5℃/min，在700-800℃下，煅燒2-3h。優選的，所述步驟(5)中的活化制孔過程為氮氣氛圍，升溫速率為3-8℃/min，在650-750℃下活化2-4h。(三)有益的技術效果與現有技術相比，本專利技術具備以下有益的技術效果：該一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，殼聚糖的部分氨基與二硫化碳反應，生成具有二硫代氨基甲酸基團的黃原酸化殼聚糖，進一步通過戊二醛交聯，得到黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球，多孔交聯微球含有豐富的氨基、羥基和二硫代氨基甲酸基團，對Co2+具有很強的絡合作用和靜電吸附，使Co2+均勻分布在殼聚糖多孔交聯微球中，以殼聚糖多孔交聯微球作為碳源，二硫代氨基甲酸基團作為氮源和硫源，通過高溫碳化和氫氧化鉀刻蝕制孔活化，制備得到S-Co-N原位共摻雜多孔碳。該一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，氮摻雜在在多孔碳中形成豐富的石墨N、吡啶N、吡咯N結構，有利于改善多孔碳的和電化學性能，同時與鈷原子形成豐富且高度分散的Co/N/C氧還原催化活性位點，具有優異的氧還原催化活性，并且S的原子半徑比C大，硫摻雜有利于拓寬碳骨架的層間距，形成結構缺陷，進一步提高多孔碳的比表面積和孔隙結構，同時硫原子的摻雜有利于調節Co/N/C催化活性位點周圍的電子排布和自旋密度，誘導產生更多的氧還原催化活性位點，使S-Co-N原位共摻雜多孔碳表現出更好的起始電位和半波點位，具有優異的氧還原催化活性。附圖說明圖1是回流反應裝置結構示意圖；圖2是蓋板調節示意圖。1-磁力攪拌加熱器；2-水浴鍋；3-卡槽；4-滾輪；5-蓋板；6-載物臺；7-反應瓶；8-冷卻循環管；9-冷凝管；10-出水孔；11-進水孔。具體實施方式為實現上述目的，本專利技術提供如下具體實施方式和實施例：一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，制備方法包括以下步驟：(1)向反應瓶中加入氫氧化鈉的甲醇溶液和殼聚糖，勻速攪拌進行溶脹，再加入二硫化碳的乙醇溶液，其中殼聚糖和二硫化碳的質量比為100:5-15，置于回流反應裝置中，回流反應裝置包括磁力攪拌加熱器，磁力攪拌加熱器上方設置有水浴鍋，水浴鍋上方設置有卡槽，卡槽與滾輪活動連接，滾輪活動連接有蓋板，水浴鍋內部設置有載物臺，載物臺上方設置有反應瓶，反應瓶上方活動連接有冷卻循環管，冷卻循環管內部設置有冷凝管，冷凝管固定連接有出水孔和進水孔，加熱至45-50℃，回流反應12-24h，真空干燥除去溶劑，使用去離子水離心洗滌并干燥，得到黃原酸化殼聚糖。(2)向反應瓶中加入去離子水、質量比為15-25:10的戊二醛和黃原酸化殼聚糖，加熱至50-80℃，反應12-24h，離心洗滌并干燥，得到黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球。(3)向反應瓶中加入去離子水、質量比為40-80:10的鈷源和黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球，其中鈷源為硝酸鈷或氯化鈷，勻速攪拌12-24h，進行吸附過程，過濾溶劑、使用去離子水洗滌后干燥，得到Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體。(4)將Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體置于氣氛爐中，在氮氣氛圍，升溫速率為2-5℃/min，在700-800℃下，進行高溫煅燒過程2-3h，制備得到S-Co-N原位共摻雜碳材料。(5)將S-Co-N原位共摻雜碳材料與氫氧化鈉混合均勻，置于氣氛爐中，在氮氣氛圍中，升溫速率為3-8℃/min，在650-750℃下進行活化制孔過程2-4h進行，制備得到S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其應用于氧還原反應催化劑中。實施例1(1)向反應瓶中加入氫氧化鈉的甲醇溶液和殼聚糖，勻速攪拌進行溶脹，再加入二硫化碳的乙醇溶液，其中殼聚糖和二硫化碳的質量比為100本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其特征在于：所述S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法包括以下步驟：/n(1)向氫氧化鈉的甲醇溶液中加入殼聚糖，攪拌進行溶脹，再加入二硫化碳的乙醇溶液，置于回流反應裝置中，加熱至45-50℃，回流反應12-24h，得到黃原酸化殼聚糖；/n(2)向去離子水中加入戊二醛和黃原酸化殼聚糖，加熱至50-80℃，反應12-24h，得到黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球；/n(3)向去離子水中加入鈷源和黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球，攪拌12-24h，進行吸附過程，得到Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體；/n(4)將Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體置于氣氛爐中，進行高溫煅燒過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜碳材料；/n(5)將S-Co-N原位共摻雜碳材料與氫氧化鈉混合均勻，置于氣氛爐中，進行活化制孔過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其應用于氧還原反應催化劑中。/n

【技術特征摘要】
1.一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其特征在于：所述S-Co-N原位共摻雜多孔碳的制備方法包括以下步驟：
(1)向氫氧化鈉的甲醇溶液中加入殼聚糖，攪拌進行溶脹，再加入二硫化碳的乙醇溶液，置于回流反應裝置中，加熱至45-50℃，回流反應12-24h，得到黃原酸化殼聚糖；
(2)向去離子水中加入戊二醛和黃原酸化殼聚糖，加熱至50-80℃，反應12-24h，得到黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球；
(3)向去離子水中加入鈷源和黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球，攪拌12-24h，進行吸附過程，得到Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體；
(4)將Co-黃原酸化殼聚糖多孔交聯微球前驅體置于氣氛爐中，進行高溫煅燒過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜碳材料；
(5)將S-Co-N原位共摻雜碳材料與氫氧化鈉混合均勻，置于氣氛爐中，進行活化制孔過程，制備得到S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其應用于氧還原反應催化劑中。


2.根據權利要求1所述的一種S-Co-N原位共摻雜多孔碳，其特征在于：所述步驟(1)中的殼聚糖和二硫化碳的質量比為100:5-15。


3.根據權利要求1所述的一種S-Co-N原位共摻...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊瀅，
申請(專利權)人：楊瀅，
類型：發明
國別省市：甘肅;62