本發(fā)明屬于光催化領(lǐng)域，特別涉及一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、當(dāng)代經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展帶動(dòng)工業(yè)化進(jìn)程急劇加速，全球能源危機(jī)和日益嚴(yán)重的環(huán)境問題阻礙了社會(huì)發(fā)展，因此太陽(yáng)能、風(fēng)能、電化學(xué)能源等清潔能源受到人們的廣泛關(guān)注。其中燃料電池(包括鋅-空氣電池)由于安全可靠、環(huán)境友好、成本低廉和理論比能量密度高等優(yōu)點(diǎn)成為廣大研究者的關(guān)注對(duì)象。空氣電極上發(fā)生的氧催化反應(yīng)事決定燃料電池的性能的關(guān)鍵，由于其緩慢的氧還原(對(duì)于氫空燃料電池)和高過(guò)電勢(shì)的析氧反應(yīng)，嚴(yán)重限制了燃料電池(包括鋅-空氣電池)的規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。太陽(yáng)能作為一種清潔能源，具有能量大、可再生性強(qiáng)和清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，具有非常大的發(fā)展?jié)撃埽?yáng)能供電穩(wěn)定性受天氣條件等嚴(yán)重限制，使電能存儲(chǔ)成為太陽(yáng)能供電面臨的一個(gè)難題。為解決以上難題，基于光電耦合機(jī)制、協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)，設(shè)計(jì)制備出光增強(qiáng)型orr/oer雙功能催化劑，可有效降低空氣電極的充電過(guò)電勢(shì)，通過(guò)太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)光化學(xué)和電化學(xué)的能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存相結(jié)合，為光電耦合燃料電池的應(yīng)用提供了新的發(fā)展機(jī)遇。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑及其制備方法和應(yīng)用，解決了現(xiàn)有技術(shù)中催化劑比表面積低、活性位點(diǎn)未充分暴露以及電子傳導(dǎo)率低等技術(shù)問題。

2、本發(fā)明提供了一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑，所述催化劑以n型g-c3n4和p型的鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳作為光輔助單體材料而得。

3、本發(fā)明還提供了一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑的制備方法，包括如下步驟：

4、(1)稱取尿素置于馬弗爐煅燒，待其冷卻至室溫后，研磨得到g-c3n4；

5、(2)稱取co(no3)2·6h2o、聚季銨鹽-7和二氧化硅，并加入鹽酸，攪拌、烘干和球磨得到多級(jí)孔碳前驅(qū)體；

6、(3)取前驅(qū)體在管式爐中煅燒得到一次碳化產(chǎn)物；取碳化后產(chǎn)物，經(jīng)過(guò)堿洗、酸洗，抽濾至中性并烘干得到產(chǎn)物；將產(chǎn)物在管式爐中再次煅燒得到二次碳化產(chǎn)物，即鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳；

7、(4)取g-c3n4和鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳，經(jīng)過(guò)球磨得到g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑。

8、優(yōu)選的，所述步驟(1)中的煅燒升溫速率為2～4℃/min，升溫至400～600℃，保持時(shí)間1～3h。

9、優(yōu)選的，所述步驟(2)中的co(no3)2·6h2o、聚季銨鹽-7、二氧化硅的和鹽酸質(zhì)量體積比為5～10g:2～3g:1～5g:85～110ml。

10、優(yōu)選的，所述步驟(2)中的鹽酸濃度為0.5-1m。

11、優(yōu)選的，所述步驟(3)中得到一次碳化產(chǎn)物的煅燒溫度為700～1000℃，氣氛為氮?dú)?，升溫速率?0～20℃/min，保溫時(shí)間為1～5h。

12、優(yōu)選的，所述步驟(3)中的堿洗采用的氫氧化鈉溶液濃度為4～8m，堿洗時(shí)間為24～96h；酸洗采用的h2so4溶液濃度為0.1～1m，酸洗時(shí)間為6～12h。

13、優(yōu)選的，所述步驟(3)中得到二次碳化產(chǎn)物的煅燒溫度為700～1000℃，氣氛為氮?dú)?，升溫速率?0～20℃/min，保溫時(shí)間為1～5h。

14、優(yōu)選的，所述步驟(4)中的g-c3n4與鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳的質(zhì)量比為1:100～2:5。

15、優(yōu)選的，所述步驟(4)中的球磨處理時(shí)間為1～10h，轉(zhuǎn)速為200～400rpm。

16、本發(fā)明還提供了一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑在光增強(qiáng)型鋅-空氣電池中的應(yīng)用。

17、有益效果

18、(1)本發(fā)明通過(guò)g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳，可有效暴露活性位點(diǎn)，改善單一g-c3n4比表面積小、光生載流子復(fù)合速率高及可見光利用低效等不足，有利于催化劑光催化活性的提升。

19、(2)本發(fā)明通過(guò)在多級(jí)孔碳中摻雜氮，可調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)或產(chǎn)生新的電子態(tài)，降低活化能，改善碳載體的功能。而鈷(co)作為一種廣泛應(yīng)用的過(guò)渡金屬，引入碳晶格并通過(guò)氮摻雜進(jìn)行修飾，形成co-n活性中心，這些活性中心不僅存在于裸露的金屬原子上，還分布在金屬表面氮摻雜的石墨碳結(jié)構(gòu)中?；钚晕稽c(diǎn)數(shù)量增加可顯著提升orr催化效率，同時(shí)氮摻雜可增強(qiáng)材料電子特性，結(jié)合碳材料高穩(wěn)定特性，有效增強(qiáng)催化劑整體的穩(wěn)定性和使用壽命。

20、(3)本發(fā)明引入帶隙寬度合適的n型半導(dǎo)體g-c3n4，與p型的鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳共同作為催化劑的光催化活性單體材料，通過(guò)π-π鍵重構(gòu)構(gòu)建能帶結(jié)構(gòu)適宜、光吸收能力強(qiáng)、具有交錯(cuò)型p-n異質(zhì)結(jié)構(gòu)的光增強(qiáng)型催化劑。

技術(shù)特征：

1.一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑，其特征在于：所述催化劑以n型g-c3n4和p型的鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳作為光輔助單體材料而得。

2.一種g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑的制備方法，包括如下步驟：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中的煅燒升溫速率為2～4℃/min，升溫至400～600℃，保持時(shí)間1～3h。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中的co(no3)2·6h2o、聚季銨鹽-7、二氧化硅的和鹽酸質(zhì)量體積比為5～10g:2～3g:1～5g:85～110ml。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中得到一次碳化產(chǎn)物的煅燒溫度為700～1000℃，氣氛為氮?dú)猓郎厮俾蕿?0～20℃/min，保溫時(shí)間為1～5h。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中的堿洗采用的氫氧化鈉溶液濃度為4～8m，堿洗時(shí)間為24～96h；酸洗采用的h2so4溶液濃度為0.1～1m，酸洗時(shí)間為6～12h。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中得到二次碳化產(chǎn)物的煅燒溫度為700～1000℃，氣氛為氮?dú)?，升溫速率?0～20℃/min，保溫時(shí)間為1～5h。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(4)中的g-c3n4與鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳的質(zhì)量比為1:100～2:5。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于：所述步驟(4)中的球磨處理時(shí)間為1～10h，轉(zhuǎn)速為200～400rpm。

10.一種如權(quán)利要求1所述的g-c3n4耦合鈷-氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑在光增強(qiáng)型鋅-空氣電池中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種g?C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;耦合鈷?氮共摻雜多級(jí)孔碳雙功能光增強(qiáng)型催化劑及其制備方法和應(yīng)用，所述催化劑以n型g?C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;和p型的鈷?氮共摻雜多級(jí)孔碳作為光輔助單體材料而得。本發(fā)明的催化劑g?C<subgt;3</subgt;N<subgt;4</subgt;與鈷?氮共摻雜多級(jí)孔碳交錯(cuò)拼接，比表面積大，直接作為空氣電極組裝鋅?空氣電池可實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)下超高功率密度和充放電穩(wěn)定性；制備方法簡(jiǎn)單，原料廉價(jià)易得，可規(guī)?；苽?，具有良好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：喬錦麗,王昭娣,徐能能,張楊,曹勤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10