CN103296278A - 基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法 - Google Patents

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张连营
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Abstract

本发明公开了一种基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，包括以下步骤：1）将新鲜的植物材料清洗干净；2）将经步骤1）清洗后的植物材料于30～70℃下干燥；3）将经步骤2）干燥后的植物材料在惰性气体保护下于800～1100℃碳化1～5小时，得到的产物即为基于植物材料的能源转换催化剂。本发明制备的能源转换催化剂具有优良的能源转换性能，并且本发明的原料为天然植物材料，原料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、适合大规模生产。本发明制备的能源转换催化剂可广泛应用于商业化燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、钠离子电池、电化学传感器、太阳能电池与其他能源转换装置等领域，具备较高的实用价值。

Description

基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法
技术领域
本发明涉及一种能源转换催化剂的制备方法，特别涉及一种基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法。
背景技术
能源是国民经济的基础，同时，深刻影响着人类的进步和社会的发展。在能源转换领域，铂钯钌等贵金属的大量使用，严重影响了燃料电池、金属-空气电池、太阳能电池与电化学传感器等能源转换装置的商业化发展。
例如：在燃料电池和金属-空气电池等领域，氧气的还原反应是最重要的电催化反应之一。目前，铂金以及铂基催化剂是燃料电池的传统催化剂，同时也是应用最广泛的催化剂，但其价格昂贵、储量有限、容易毒化并且长时间运行时性能损失严重，阻碍了燃料电池等相关领域的商业化进程。针对铂金以及铂基催化剂价格昂贵、储量有限、容易毒化以及长时间运行时性能损失严重等缺点，近年来利用非金属元素（例如氮、磷、硫、硼等）掺杂的碳材料以及金属元素（例如钴、铁等）、聚合物与碳材料的复合材料表现出一定的氧还原催化性能，但是制备上述催化剂成本较高，方法较为复杂且产量低，难于实现商业化生产。
因此，研究一种原料来源广泛，价格低廉，适合大规模生产并且性能优良的能源转换催化剂，成为影响燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、钠离子电池、太阳能电池与电化学传感器等各种能源转换装置商业化发展的重要因素。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，制备的能源转换催化剂具有优良的能源转换性能，并且原料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、适合大规模生产。
本发明的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，包括以下步骤：
1）将新鲜的植物材料清洗干净；
2）将经步骤1）清洗后的植物材料于30～70℃下干燥；
3）将经步骤2）干燥后的植物材料在惰性气体保护下于800～1100℃碳化1～5小时，得到的产物即为基于植物材料的能源转换催化剂。
进一步，所述步骤1）中，新鲜的植物材料在清洗前先切成块。
进一步，所述步骤1）中，清洗采用等离子水超声清洗。
进一步，所述步骤2）中，干燥温度为60℃。
进一步，所述步骤3）中，惰性气体为氩气，碳化温度为900℃，碳化时间为2小时。
进一步，所述植物材料为植物的叶或茎。
进一步，所述植物材料为竹叶、竹竿或银杏叶。
本发明的有益效果在于：本发明先将新鲜的植物材料清洗并干燥，从而去掉植物表面杂质的影响，于惰性气体保护下碳化，防止植物内部含有的大量元素被氧化，并且碳化后具有较多的纳米孔结构存在，从而有利于电解质以及反应产物的扩散；因此，本发明制备的能源转换催化剂由于其优越的还原反应催化性能以及存在的大量纳米孔，具有优良的能源转换性能，例如：在对氧还原催化时有很高的活性、长期稳定性以及明显的抗甲醇氧化能力，在锂离子电池领域该能源转换催化剂具有的大量纳米孔有利于锂离子的嵌入以及脱嵌，在燃料敏化太阳能电池中能代替铂金对电极，提供高速还原催化能力；并且本发明的原料为天然植物材料，原料来源广泛、价格低廉、制备方法简单、适合大规模生产。
本发明制备的能源转换催化剂可广泛应用于商业化燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、钠离子电池、电化学传感器、太阳能电池与其他能源转换装置等领域，具备较高的实用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂的扫描电镜图；
图2为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂的透射电镜图；
图3为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图；
图4为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图；
图5为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图；
图6为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂的扫描电镜图；
图7为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂的透射电镜图；
图8为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图；
图9为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图；
图10为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图；
图11为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂的扫描电镜图；
图12为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂的透射电镜图；
图13为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图；
图14为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图；
图15为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图。
具体实施方式
以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1
本实施例选用的植物材料为竹叶，制备竹叶基能源转换催化剂，制备方法包括以下步骤：
1）将新鲜的竹叶切成块，然后用等离子水超声清洗干净；
2）将经步骤1）清洗后的竹叶于60℃下干燥；
3）将经步骤2）干燥后的竹叶在氩气保护下于900℃碳化2小时，得到的产物即为竹叶基能源转换催化剂。
图1为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂的扫描电镜图，可以看出碳化后典型的竹叶表面结构。
图2为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂的透射电镜图，可以清晰的看出，经碳化后的竹叶表面具有明显的纳米孔结构，有利于电解质以及反应产物的扩散。
图3为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图，通过对比发现，在氧气存在的条件下表现出明显的氧的还原峰，说明该竹叶基催化剂具有优良的氧还原催化性能。
图4为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图，发现该竹叶基能源转换催化剂在添加一定量甲醇的情况下，电流密度没有明显的变化，证明该竹叶基催化剂具有良好的抗甲醇氧化能力。
图5为实施例1制备的竹叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图，发现竹叶基能源转换催化剂在运行6小时候后仍然可以保持其93%左右的起始催化电流密度，而商业化的铂金催化剂运行3小时后只有起始催化电流密度的79.4%左右，证明该竹叶基能源转换催化剂具有很高的氧还原稳定性能。
实施例2
本实施例选用的植物材料为竹子的茎部竹竿，制备竹竿基能源转换催化剂，制备方法包括以下步骤：
1）将新鲜的竹竿切成块，然后用等离子水超声清洗干净；
2）将经步骤1）清洗后的竹竿于70℃下干燥；
3）将经步骤2）干燥后的竹竿在氩气保护下于1100℃碳化5小时，得到的产物即为竹竿基能源转换催化剂。
图6为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂的扫描电镜图，可以看出碳化后典型的竹竿表面结构。
图7为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂的透射电镜图，可以清晰的看出，经碳化后的竹竿表面具有明显的纳米孔结构，有利于电解质以及反应产物的扩散。
图8为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图，通过对比发现，在氧气存在的条件下表现出明显的氧的还原峰，说明该竹竿基能源转换催化剂具有优良的氧还原催化性能。
图9为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图，发现该竹竿基能源转换催化剂在添加一定量甲醇的情况下，电流密度没有明显的变化，证明该竹竿基能源转换催化剂具有良好的抗甲醇氧化能力。
图10为实施例2制备的竹竿基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图，发现竹竿基能源转换催化剂在运行3小时候后仍然可以保持其88.1%左右的起始催化电流密度，而商业化的铂金催化剂运行3小时后只有起始催化电流密度的79.4%左右，证明该竹竿基能源转换催化剂具有很高的氧还原稳定性能。
实施例3
本实施例选用的植物材料为银杏叶，制备银杏叶基能源转换催化剂，制备方法包括以下步骤：
1）将新鲜的银杏叶切成块，然后用等离子水超声清洗干净；
2）将经步骤1）清洗后的银杏叶于30℃下干燥；
3）将经步骤2）干燥后的银杏叶在氩气保护下于800℃碳化1小时，得到的产物即为银杏叶基能源转换催化剂。
图11为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂的扫描电镜图，可以看出碳化后典型的银杏叶表面结构。
图12为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂的透射电镜图，可以清晰的看出，经碳化后的银杏叶表面具有明显的纳米孔结构，有利于电解质以及反应产物的扩散。
图13为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂分别在氮气和氧气饱和0.1M KOH溶液中的循环伏安曲线图，通过对比发现，在氧气存在的条件下表现出明显的氧的还原峰，说明该银杏叶基能源转换催化剂具有优良的氧还原催化性能。
图14为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的抗甲醇氧化能力比较图，发现该银杏叶基能源转换催化剂在添加一定量甲醇的情况下，电流密度没有明显的变化，证明该银杏叶基能源转换催化剂具有良好的抗甲醇氧化能力。
图15为实施例3制备的银杏叶基能源转换催化剂与商业化铂金催化剂的氧还原稳定性能比较图，发现银杏叶基能源转换催化剂在运行3小时候后仍然可以保持其87.2%左右的起始催化电流密度，而商业化的铂金催化剂运行3小时后只有起始催化电流密度的79.4%左右，证明该银杏叶基能源转换催化剂具有很高的氧还原稳定性能。
上述实施例表明，将各种植物材料用本发明的方法均可制备出具有优越还原反应催化性能以及存在大量纳米孔的能源转换催化剂，该能源转换催化剂具有优良的能源转换性能，在对氧还原催化时有很高的活性、长期稳定性以及明显的抗甲醇氧化能力，在锂离子电池领域该能源转换催化剂具有的大量纳米孔有利于锂离子的嵌入以及脱嵌，在燃料敏化太阳能电池中能代替铂金对电极，提供高速还原催化能力；因此，本发明制备的能源转换催化剂可广泛应用于商业化燃料电池、金属-空气电池、锂离子电池、钠离子电池、电化学传感器、太阳能电池与其他能源转换装置等领域，具备较高的实用价值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）将新鲜的植物材料清洗干净；
2）将经步骤1）清洗后的植物材料于30～70℃下干燥；
3）将经步骤2）干燥后的植物材料在惰性气体保护下于800～1100℃碳化1～5小时，得到的产物即为基于植物材料的能源转换催化剂。
2.根据权利要求1所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，新鲜的植物材料在清洗前先切成块。
3.根据权利要求1所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤1）中，清洗采用等离子水超声清洗。
4.根据权利要求1所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤2）中，干燥温度为60℃。
5.根据权利要求1所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述步骤3）中，惰性气体为氩气，碳化温度为900℃，碳化时间为2小时。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述植物材料为植物的叶或茎。
7.根据权利要求6所述的基于植物材料的能源转换催化剂的制备方法，其特征在于：所述植物材料为竹叶、竹竿或银杏叶。
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