【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及催化劑和雙氧水制備，具體涉及sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑及其制備方法和制備雙氧水的方法。
技術(shù)介紹
1、過氧化氫是在化學(xué)合成、紙漿/紙漂白、廢水處理和消毒中應(yīng)用最廣泛的環(huán)保氧化劑之一。目前，工業(yè)規(guī)模合成h2o2高度依賴能源密集型的蒽醌氧化還原。然而，蒽醌法的合成步驟復(fù)雜、設(shè)施規(guī)模大和使用昂貴的鉑基催化劑，該過程能耗高且污染嚴(yán)重，需要使用大型設(shè)備和易貴催化劑，難以滿足綠色可持續(xù)發(fā)展的需求。雖然利用氫氣(h2)和氧氣(o2)為原料直接合成過氧化氫提供了一個(gè)更直接和原子經(jīng)濟(jì)的過程，以理想地解決與復(fù)雜的蒽醌途徑相關(guān)的問題，但由于存在h2o2產(chǎn)率低和易制爆等風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。因此，開發(fā)安全、經(jīng)濟(jì)且高效的h2o2，在生產(chǎn)工藝方面具有重要的應(yīng)用意義。
2、電化學(xué)雙電子氧還原反應(yīng)由于其環(huán)保、成本低、合成做成簡(jiǎn)易且基礎(chǔ)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，因此可直接作為合成h2o2的理想方法。近幾年，通過2e-orr途徑生成過氧化氫，研究了多種材料作為2e-orr催化劑，如貴金屬/合金、功能(o、n、f、s或b)碳材料、非貴金屬過渡金屬、單原子催化劑(sacs)和分子配合物。然而，當(dāng)前電催化劑的低選擇性和長(zhǎng)期成本是電化學(xué)過氧化氫合成途徑成功的主要障礙。因此，解決這些挑戰(zhàn)需要開發(fā)高效的電催化劑，以提高過氧化氫合成過程的產(chǎn)率和效率。碳基材料不僅大量可用且廉價(jià)，而且從合成工藝方面而言生產(chǎn)它們將帶來額外的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。
3、基于以上分析，合理設(shè)計(jì)無金屬碳基催化劑采用電化學(xué)雙電子產(chǎn)h2o2能夠緩解上述安全、經(jīng)濟(jì)且高效產(chǎn)
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的以下問題：其一，蒽醌法的合成h2o2步驟復(fù)雜、設(shè)施規(guī)模大和使用昂貴的鉑基催化劑，該過程能耗高且污染嚴(yán)重，且使用大型設(shè)備和易貴催化劑，難以滿足綠色可持續(xù)發(fā)展的需求。其二，利用氫氣(h2)和氧氣(o2)為原料直接合成過氧化氫，其過程h2o2產(chǎn)率低和易制爆等風(fēng)險(xiǎn)，阻礙了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。其三，當(dāng)前電催化劑的低選擇性和長(zhǎng)期成本是電化學(xué)過氧化氫合成途徑成功的主要障礙。本專利技術(shù)的目的在于至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一，提供一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑及其制備方法和制備雙氧水的方法，即提供一種具有高h(yuǎn)2o2選擇性和高h(yuǎn)2o2產(chǎn)量的sp3雜化表面缺陷無金屬碳基催化劑及其制備方法，并應(yīng)用于電化學(xué)雙電子氧還原法產(chǎn)h2o2。
2、本專利技術(shù)的技術(shù)解決方案如下：
3、本專利技術(shù)的第一方面提供一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑的制備方法，包括以下步驟：
4、將活性炭黑、3,4-乙烯二氧噻吩、引發(fā)劑與水混合，反應(yīng)，干燥，制得pedot/活性炭黑復(fù)合材料；
5、將所述pedot/活性炭黑復(fù)合材料在保護(hù)氣體氛圍下煅燒；
6、將煅燒后的所述pedot/活性炭黑復(fù)合材料進(jìn)行酸蝕刻，洗滌、干燥，制得所述催化劑。
7、可選地，所述活性炭黑、3,4-乙烯二氧噻吩、引發(fā)劑的質(zhì)量比為0.5～1.5：0.08～0.12：0.27～0.36。
8、可選地，所述反應(yīng)溫度為30～60℃，反應(yīng)時(shí)間為20～28h。
9、可選地，所述煅燒溫度為750～850℃，升溫速率為3～7℃/min，煅燒時(shí)間為2～4h。
10、可選地，所述酸蝕刻在55～65℃的濃硝酸中進(jìn)行，濃硝酸的濃度為10～16mol/l，所述酸蝕刻時(shí)間為2～4h。
11、可選地，所述活性炭黑包括ec-600jd，所述引發(fā)劑包括(nh4)2s2o8。
12、本專利技術(shù)的第二方面提供一種采用上述的方法制得的sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑。
13、本專利技術(shù)的第三方面提供一種上述的催化劑在制備雙氧水中的應(yīng)用。
14、可選地，制備雙氧水的方法包括以下步驟：
15、將所述催化劑制備成催化劑漿料；
16、采用標(biāo)準(zhǔn)三電極體系在具有質(zhì)子交換膜作隔膜的反應(yīng)器中，以氣體擴(kuò)散層作為底物，在陰極上負(fù)載所述催化劑漿料，固態(tài)ag/agcl作為參比電極，鉑片作為對(duì)陽極，以0.05～0.2m氫氧化鉀作為電解質(zhì)，并保持反應(yīng)過程中持續(xù)通入氧氣和電解質(zhì)，電催化反應(yīng)制備雙氧水。
17、可選地，陰極上所述催化劑漿料的負(fù)載量為0.02～0.04mg·cm-2，所述電催化的電位為0.3～0.5v?vs.rhe，所述氧氣的流量為30～50ml·min-1，所述電解質(zhì)的流速為15～25ml·min-1。
18、本專利技術(shù)至少具有以下有益效果之一：
19、1、本專利技術(shù)提供了一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑及其制備方法，本專利技術(shù)是先將活性炭黑與3,4-乙烯二氧噻吩在引發(fā)劑的作用下制成復(fù)合材料，在保護(hù)氣體氛圍下煅燒，能夠提高催化劑的導(dǎo)電性能和得到特定的多孔材料；然后進(jìn)行酸刻蝕，能夠增加p-acb表面的含氧官能團(tuán)含量和表面粗糙度，進(jìn)而提高催化劑的2e-orr性能；本專利技術(shù)制備了一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑，缺陷調(diào)節(jié)指的是本專利技術(shù)的催化劑表面含有空位，本專利技術(shù)通過空位能夠?qū)?e-orr過程中產(chǎn)生的中間體中的*ooh吸附到催化劑表面，從而可以降低了*ooh在碳表面形成所需的自由能，因此本專利技術(shù)增強(qiáng)了*ooh中間體的吸附，降低了*ooh在碳表面形成所需的自由能，從而提高了h2o2的產(chǎn)率；并且通過xps表征發(fā)現(xiàn)本專利技術(shù)制備的催化劑形成了sp?3-c的碳基材料，有利于提高催化劑的催化性能。本專利技術(shù)的合成工藝簡(jiǎn)單，使用原材料價(jià)格便宜，生產(chǎn)成本低。
20、2、本專利技術(shù)的催化劑能夠應(yīng)用于制備雙氧水，本專利技術(shù)制備的sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑提高了h2o2的選擇性和orr催化活性，最終提高了h2o2的產(chǎn)率，本專利技術(shù)的產(chǎn)率可達(dá)到8300mmol?gcat-1h-1，明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)，因此，相比現(xiàn)有技術(shù)，采用本專利技術(shù)的催化劑對(duì)制備雙氧水的效果更好。并且，本專利技術(shù)通過簡(jiǎn)單的流式電解池裝置能夠直接現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)h2o2，制備方法簡(jiǎn)單、方便、高效和實(shí)用。本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述活性炭黑、3,4-乙烯二氧噻吩和引發(fā)劑的質(zhì)量比為0.5～1.5：0.08～0.12：0.27～0.36。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)溫度為30～60℃，反應(yīng)時(shí)間為20～28h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述煅燒溫度為750～850℃，升溫速率為3～7℃/min，煅燒時(shí)間為2～4h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酸蝕刻在55～65℃的濃硝酸中進(jìn)行，濃硝酸的濃度為10～16mol/L，所述酸蝕刻時(shí)間為2～4h。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述活性炭黑包括EC-600JD，所述引發(fā)劑包括(NH4)2S2O8。
7.采用如權(quán)利要求1～6任意一項(xiàng)所述的方法制得的sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑。
8.權(quán)利要求7所述的催化劑在制備雙氧水中的應(yīng)用。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的應(yīng)用，其特征在于，陰極上所述催化劑漿料的負(fù)載量為0.02～0.04mg·cm-2，所述電催化的電位為0.3～0.5V?vs.RHE，所述氧氣的流量為30～50mL·min-1，所述電解質(zhì)的流速為15～25mL·min-1。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種sp3雜化缺陷調(diào)節(jié)的無金屬碳基催化劑的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述活性炭黑、3,4-乙烯二氧噻吩和引發(fā)劑的質(zhì)量比為0.5～1.5：0.08～0.12：0.27～0.36。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述反應(yīng)溫度為30～60℃，反應(yīng)時(shí)間為20～28h。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述煅燒溫度為750～850℃，升溫速率為3～7℃/min，煅燒時(shí)間為2～4h。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述酸蝕刻在55～65℃的濃硝酸中進(jìn)行，濃硝酸的濃度為10～16mol/l，所述酸蝕刻時(shí)間...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：曾林，錢俊寧，劉紅消，蔣玉停，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：南方科技大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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