本發(fā)明涉及金屬空氣電池領(lǐng)域，特別涉及一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑、制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、隨著傳統(tǒng)化石能源的加速消耗所造成的能源危機(jī)和環(huán)境問題，促使人們?nèi)ラ_發(fā)下一代可持續(xù)能源轉(zhuǎn)換裝置。作為新興能源的代表，燃料電池和金屬空氣電池已經(jīng)得到了廣泛地探索。其中，鋅空氣電池由于較高的能量密度，低成本和綠色環(huán)保，而成為非常具有前景的能源儲(chǔ)存技術(shù)。然而，由于鋅空氣電池陰極的氧化還原(orr)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)非常緩慢，所以需要高活性的電催化劑來加快反應(yīng)進(jìn)程。

2、雖然，貴金屬和金屬氧化物催化劑(pt、ruo2、iro2等)表現(xiàn)出優(yōu)異的電催化活性，但因其昂貴的成本、較低的穩(wěn)定性和稀缺性等因素，使其無法滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。目前，過渡金屬元素與非金屬元素共摻雜的方法在報(bào)道中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性和電催化活性。然而，過渡金屬元素易于發(fā)生團(tuán)聚、遷移等問題，進(jìn)而造成催化劑的電催化活性的衰減。另外，傳統(tǒng)三維多孔碳材料存在制備過程復(fù)雜、成本高等問題。因此，開發(fā)可持續(xù)高效的電催化劑仍是一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

3、生物質(zhì)材料具有含碳量高、來源廣泛、可再生和成本低等潛在優(yōu)勢(shì)，已成為生產(chǎn)碳材料的首選前體。作為世界上最龐大的生物質(zhì)資源之一，木材獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)，在能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)材料中表現(xiàn)出巨大的潛力。有報(bào)道稱，多孔結(jié)構(gòu)利用多通道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了有效的傳質(zhì)，并提供了豐富的活性位點(diǎn)，從而表現(xiàn)出極高的電催化活性和穩(wěn)定性。因此，如上所述，利用和改變生物質(zhì)碳材料固有的生物結(jié)構(gòu)特征，有望開發(fā)出廉價(jià)、高性能的電催化材料，促進(jìn)清潔能源和儲(chǔ)能應(yīng)用的發(fā)展前景。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的為提供一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑、制備方法和應(yīng)用，旨在解決金屬空氣電池陰極催化劑成本昂貴、使其無法滿足大規(guī)模應(yīng)用需求的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑，包括：

3、經(jīng)過脫木質(zhì)素、活化和熱解后的纖維生物質(zhì)原料負(fù)載有fe元素、n元素和s元素的催化劑。

4、本發(fā)明還提供了一種制備方法，應(yīng)用于上述的木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑，包括：

5、s1、將纖維生物質(zhì)原料在苛性堿溶液中浸漬，進(jìn)行脫木質(zhì)素和堿激活預(yù)處理，而獲得生物質(zhì)前處理物，其中，纖維生物質(zhì)原料為沿生長(zhǎng)長(zhǎng)度方向加工而成，苛性堿溶液包括氫氧化鈉溶液和氫氧化鉀溶液之一；

6、s2、采用去離子水對(duì)生物質(zhì)前處理物沖洗和烘干，然后在惰性氣氛中進(jìn)行加溫碳化，而獲得堿激活的三維多孔碳前驅(qū)體；

7、s3、通過硫氮源和過渡金屬源配制負(fù)載鹽溶液；

8、s4、將三維多孔碳前驅(qū)體加入負(fù)載鹽溶液中完成浸漬和吸附，而獲得三維多孔碳浸漬樣；

9、s5、將三維多孔碳浸漬樣烘干，然后在惰性氣氛中熱解，最終得到三維多孔碳基催化劑。

10、進(jìn)一步地，所述s1的步驟中，所述纖維生物質(zhì)原料為巴沙木屑。

11、進(jìn)一步地，所述s1的步驟中，所述s1的步驟中，在苛性堿溶液的浸漬環(huán)境增加超聲波處理?xiàng)l件；所述s4的步驟中在負(fù)載鹽溶液環(huán)境增加超聲波處理?xiàng)l件。

12、進(jìn)一步地，所述s1的步驟中，所述苛性堿溶液的濃度為2.0至3.0摩爾每升，且浸漬時(shí)間為8至15小時(shí)。

13、進(jìn)一步地，所述s3的步驟中，硫氮源為硫脲，過渡金屬源為硝酸鐵，所述負(fù)載鹽溶液中硫脲的濃度在0.1至0.4毫摩爾每升，硝酸鐵的濃度在20至80毫摩爾每升。

14、進(jìn)一步地，所述s2和s5的步驟中，烘干的溫度為50至70攝氏度，烘干的時(shí)間為4至8小時(shí)。

15、進(jìn)一步地，所述s2的步驟中加溫碳化的溫度為680至720攝氏度，升溫速率為4至6攝氏度每分鐘，保溫1.5至2.5小時(shí)。

16、進(jìn)一步地，所述s5的步驟中熱解的溫度為880至920攝氏度，升溫速率為4至6攝氏度每分鐘，保溫1.5至2.5小時(shí)。

17、本發(fā)明還提供了一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑的應(yīng)用，所述木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑用于鋅空氣電池的氧還原電催化劑。

18、本發(fā)明提供的木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑、制備方法和應(yīng)用，將fe、n和s元素引入碳骨架，并最終得到一種高比表面積和負(fù)載三種活性元素的三維多孔碳基催化劑。制得的三維多孔碳基催化劑具有三維多孔結(jié)構(gòu)，賦予該材料極高的比表面積，意味著該材料能夠充分地暴露活性位點(diǎn)，受益于獨(dú)特的大比表面積和高度暴露的活性位點(diǎn)，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原性能。三維多孔碳基催化劑作為鋅空氣電池陰極時(shí)，能夠提供優(yōu)異的功率密度和比容量。

技術(shù)特征：

1.一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑，其特征在于，包括：

2.一種制備方法，應(yīng)用于權(quán)利要求1中所述的木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑，其特征在于，包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s1的步驟中，所述纖維生物質(zhì)原料為巴沙木屑。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s1的步驟中，所述s1的步驟中，在苛性堿溶液的浸漬環(huán)境增加超聲波處理?xiàng)l件；所述s4的步驟中在負(fù)載鹽溶液環(huán)境增加超聲波處理?xiàng)l件。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s1的步驟中，所述苛性堿溶液的濃度為2.0至3.0摩爾每升，且浸漬時(shí)間為8至15小時(shí)。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s3的步驟中，硫氮源為硫脲，過渡金屬源為硝酸鐵，所述負(fù)載鹽溶液中硫脲的濃度在0.1至0.4毫摩爾每升，硝酸鐵的濃度在20至80毫摩爾每升。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s2和s5的步驟中，烘干的溫度為50至70攝氏度，烘干的時(shí)間為4至8小時(shí)。

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s2的步驟中加溫碳化的溫度為680至720攝氏度，升溫速率為4至6攝氏度每分鐘，保溫1.5至2.5小時(shí)。

9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述s5的步驟中熱解的溫度為880至920攝氏度，升溫速率為4至6攝氏度每分鐘，保溫1.5至2.5小時(shí)。

10.一種權(quán)利要求1所述木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑的應(yīng)用，其特征在于：所述木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑用于鋅空氣電池的氧還原電催化劑。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)揭示了一種木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑、制備方法和應(yīng)用，經(jīng)過脫木質(zhì)素、活化和熱解后的纖維生物質(zhì)原料負(fù)載有Fe元素、N元素和S元素的催化劑；本發(fā)明提供的木質(zhì)衍生三維多孔碳基催化劑、制備方法和應(yīng)用，將Fe、N和S元素引入碳骨架，并最終得到一種高比表面積和負(fù)載三種活性元素的三維多孔碳基催化劑。制得的三維多孔碳基催化劑具有三維多孔結(jié)構(gòu)，賦予該材料極高的比表面積，意味著該材料能夠充分地暴露活性位點(diǎn)，受益于獨(dú)特的大比表面積和高度暴露的活性位點(diǎn)，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的氧還原性能。三維多孔碳基催化劑作為鋅空氣電池陰極時(shí)，能夠提供優(yōu)異的功率密度和比容量。

技術(shù)研發(fā)人員：李青山,盧利來,孫元娜
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17