一種生物炭基氧還原催化劑的製備方法與流程
2024-04-07 21:31:05
本發明屬於一種催化劑及其製備方法，具體地說是涉及一種生物炭基氧還原催化劑的製備方法。
背景技術：
燃料電池陰極氧還原反應可逆性很低，交換電流密度較小(10-9～10-10 A/cm2)，常伴隨有很高的過電位；利用陰極氧還原反應催化劑降低陰極過電位，提高電池工作性能無論在基礎研究領域還是對燃料電池的商品化開發都具有極其重要的意義。目前，常用的催化劑是Pt/C催化劑，但是，該催化劑採用Pt，由於Pt稀少，且價格昂貴，無法實現大規模生產，因此，發展低價、高效的非貴金屬氧還原催化劑對燃料電池來說已成為當務之急。
目前，農作物秸稈的利用方式是直接燃燒、直接還田或腐熟還田。直接焚燒，不僅浪費了資源，而且會汙染環境，燃燒過程中產生的大量C02和黑炭氣溶膠會導致溫室效應。
近年來有文獻報導，通過熱解豬骨頭、金針菇、大豆、香蒲和蜂蜜等生物質得到的生物炭用於氧還原催化劑，但是，上述生物質的原料價格高，不易取得，製備工藝複雜，操作繁瑣，因此我們開發一種原材料廣泛，製備方法簡易並綜合利用解決環境問題真正實現變廢為寶顯得尤為重要。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的不足，本發明的目的在於提供一種生物炭基氧還原催化劑的製備方法，該方法操作簡單、製備時間短，其製備的催化劑氧還原催化性能好，其催化性能與現有的Pt/C催化劑的催化性能相當。
為了達到上述目的，本發明採取以下技術方案：
1.本發明的一種生物炭基氧還原催化劑的製備方法，其特徵在於有以下的工藝工程和步驟：
(1).將玉米杆用去離子水清洗去除表面雜質，並於105 ℃下烘乾24-72 h，然後將烘乾後的玉米杆放在粉碎機中粉碎，並過100目的篩子，得到生物質粉末；
(2).將上述步驟(1)製得的生物質粉末與造孔劑KOH按照質量比1：1的比例均勻混合，置於石英舟中，在850 ℃、氮氣氛圍下熱解30 min，冷卻至室溫取出，得到熱解生物質炭；
(3).將上述步驟(2)得到的熱解生物質炭置於濃度為0.1～0.05 M mol/L的HCl的溶液
中進行浸泡清洗，清洗0.5～2小時，然後用去離子水抽濾洗滌至pH值為7，在80～100℃溫度下烘乾6～8小時，得到的清洗後的熱解生物質炭；
(4).將上述步驟(3)得到的清洗後的熱解生物質炭放入到濃度為0.1～0.05 M 的NaOH溶液中進行浸泡清洗，清洗0.5～2小時，並用去離子水抽濾洗滌至pH值為7，在80～100℃溫度下烘乾6～8小時，得到生物炭基氧還原催化劑。
本發明方法的優點是：
本發明製備的生物炭基氧還原催化劑方法相較於製備其他催化劑方法操作簡單、製備時間短，不採用稀有的Pt金屬，降低了氧還原催化劑的製造成本，其氧還原催化性能與現有的Pt/C催化劑的氧還原催化性能相當。
附圖說明
圖1為實施例1製得的生物炭基氧還原催化劑（BC-K）SEM圖譜。
圖2為實施例1製得的生物炭基氧還原催化劑BC-K的 XRD 圖譜，圖2中，橫軸表示衍射角，縱軸表示衍射強度，圖中，曲線上出現的兩個峰（衍射角為23.6°和衍射角為43.8°）是無序碳的002和100晶面，表明本發明製備的生物炭中有類石墨結構。
圖3為實施例2製得的生物炭基氧還原催化劑（BC）SEM圖譜。
圖4為本發明製得的生物炭基氧還原催化劑和現有的Pt/C催化劑在0.1 M KOH中極化曲線比較圖，圖4中，橫軸表示電位，縱軸表示電流密度，小三角形所在的曲線表示Pt/C催化劑，小圓所在的曲線表示直接熱解的生物炭BC，小方框所在的曲線表示KOH活化的生物炭BC-K。由圖4中可以看出，不同材料的起始電位以及電流密度不同，Pt/C催化劑、KOH活化的生物炭BC-K以及直接熱解的生物炭BC的起始電位和電流密度分別為-0.07 V和-2.61mA cm-2、-0.16 V和-3.42mA cm-2、-0.37 V和-1.09mA cm-2。實驗結果表明，未經活化處理的材料不管是起始電位（較負）還是電流密度（較低）上均不好，而通過KOH活化製得的氧還原催化劑起始電位相對於Pt/C催化劑電位稍負，但電流密度較大，因而本發明製備的活化處理後的生物炭基氧還原催化劑性能上可與Pt/C催化劑相媲美。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例1
本實例為生物炭基氧還原催化劑的製備
(1).將玉米杆用去離子水清洗去除表面雜質，並於105 ℃下烘乾24 h，然後將烘乾後的玉米杆放在粉碎機中粉碎，並過100目的篩子，得到生物質粉末；
(2).將上述步驟(1)製得的生物質粉末與造孔劑KOH按照質量比1：1的比例均勻混合，置於石英舟中，在850 ℃、氮氣氛圍下熱解30 min，冷卻至室溫取出，得到熱解生物質炭；
(3). 將上述步驟(2)得到的熱解生物質炭置於濃度為0.05 M mol/L的HCl的溶液中進行浸泡清洗，清洗2小時，然後用去離子水抽濾洗滌至pH值為7，在80～100℃溫度下烘乾6小時，得到的清洗後的熱解生物質炭；
(4). 將上述步驟(3)得到的清洗後的熱解生物質炭放入到濃度為0.05 M NaOH溶液中進行浸泡清洗，清洗2小時，並用去離子水抽濾洗滌至pH為7，然後在80～100℃下烘乾6小時得到生物炭基氧還原催化劑，如圖1、圖2所示。
實施例2
本實例為生物炭基氧還原催化劑的製備：
本實施例2與實施例1基本相同，其區別之處在於：本實施例2中步驟(2)中所述的 「將製得的玉米稈粉末」 代替了實施例1中步驟(2)中所述的「將製得的玉米稈粉末與造孔劑KOH按照質量比1：1均勻混合置於石英舟中」，製得的生物炭基氧還原催化劑，如圖3所示。
對生物炭基氧還原催化劑的催化性能測定：
在三電極體系中（Hg/HgO為參比電極、Pt片為對電極、玻碳電極為工作電極），電解液為0.1 M KOH情況下， 採用 CHI660A 電化學綜合測試儀對上述實施例1和實施例2製得的各種生物炭基氧還原催化劑的催化性能進行測試，其測試結果表明，本發明的氧還原催化劑的催化性能高於其它的催化劑的催化性能，如圖4所示。