CN109841858B - 利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品 - Google Patents

Abstract

本发明属于能源环境和电化学领域，并公开了一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品。所述方法包括S1将分筛后的豆渣与去离子水混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却、洗涤得到水热炭S2将水热炭与磷酸盐溶液按照一定比例混合，经蒸发、干燥和研磨后，得到炭、盐混合物S3将炭、盐混合物升温、经高温掺杂处理后，冷却至室温，经洗涤得到生物炭基氧还原反应催化剂。本发明还公开了相应的产品。本发明通过使用豆渣作为原料，制备具有良好催化活性的生物炭基氧还原反应催化剂，避免豆渣造成的环境污染及资源浪费，所制备的生物炭基氧还原反应催化剂具有较大的比表面积和良好的耐久性、抗中毒性能。

Description

利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品

技术领域

本发明属于能源环境和电化学技术领域，更具体地，涉及一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品。

背景技术

燃料电池(Fuel Cells，FC)是一种能够连续不断地将储存在燃料与氧化剂中的化学能等温地转化为电能的电化学发电装置，因其具有转换效率高、环境亲和性好、能量密度高、工作无噪音、启动速度快和运行质量稳定等优势引起了国际范围内的广泛关注。目前，铂系贵金属仍是用作燃料电池阴极ORR反应的优良电催化剂材料，但却存在着制备成本高、资源稀缺匮乏和耐久性差等缺点。同时，在“十三五”规划新能源汽车重点专项中已经提出了明确的目标，我国到2020年预计要实现膜电极的铂用量≤0.2g/kW，耐久性≥1.0×104h。因此，想要实现燃料电池大规模的产业化，必需在新型高效的低铂或无铂ORR催化剂应用技术上取得实质性突破。

近年来，不少研究均表明石墨烯、碳纳米管等碳基掺杂材料可以表现出优良的ORR催化活性及可靠性。然而，石墨烯和碳纳米管的制备过程较为复杂，成本较高，尚不符合商业化的条件。而生物炭基材料作为一种高效、绿色、多功能的催化剂载体备受关注。生物质种类繁多、价格低廉、数量庞大，不同研究者以生物质为原料，通过水热、热解方式制备生物炭，且通过调控制备(如掺杂、活化等)过程即可调控孔隙结构的形成以及杂原子的掺杂，特别是介孔和起主要作用的杂原子基团，进而促进质子传输以及催化活性位点的增加。

豆渣是豆制品(如豆腐、豆浆、腐乳及其它豆制品)生产过程中的主要废弃物，其中具有十分丰富的蛋白质、脂肪、钙、磷、铁等多种营养物质。豆渣的主要成分是蛋白质18-23％、脂肪12-13％、灰分2.76％、粗纤维50-55％以及可溶性膳食纤维6.55％。我国是豆腐的发源地，豆腐的生产历史十分悠久，每年的产量和销售量都十分庞大，相应地豆渣的产量也很大，但对豆渣的利用率却不高，成的环境污染及资源浪费等问题。另一方面，现有技术中采用铂等贵金属材料作为燃料电池阴极催化剂存在的成本高、制备工艺复杂等问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法及产品，通过使用氮元素含量较高的豆渣作为原料，制备具有良好催化活性的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，一方面降低现有铂等贵金属材料作为燃料电池阴极催化剂存在的高成本问题，避免豆渣造成的环境污染及资源浪费等问题，同时，所制备的生物炭基氧还原反应催化剂具有较大的比表面积和良好的耐久性、抗中毒性能。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将分筛后的豆渣与去离子水按一定比例混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却至室温，经过滤、洗涤得到水热炭；

S2将所述水热炭与磷酸盐溶液按照一定比例混合，得到混合溶液，将所述混合溶液经蒸发、干燥和研磨处理后，得到炭、盐混合物；

S3将所述炭、盐混合物在惰性气体氛围下进行升温，经高温掺杂处理后停止加热，冷却至室温，并依次进行酸洗、水洗和干燥，得到氮、磷共掺杂的生物炭基氧还原反应催化剂。

进一步的，步骤S1中，所述豆渣的粒径为0.1mm～0.5mm，所述豆渣与去离子水的质量比为1:5～1:15；优选的，所述豆渣与去离子水的质量比为1:10。

进一步的，步骤S1中，所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min，优选的，所述温的速率为8℃/min，所述保温的温度为150℃～200℃，优选的，所述保温的温度为180℃，所述保温为6h～10h。

进一步的，步骤S1中，所述洗涤包括以下步骤：用乙醇洗涤3～5次后，再用去离子水洗涤5～10次。

进一步的，步骤S2中，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:2～2:1，优选的，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:1，所述磷酸盐为磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾中的一种或多种。

进一步的，步骤S2中，将所述水热炭与磷酸盐的混合方式为浸渍，所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

进一步的，步骤S3中，所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min，优选的，所述温的速率为8℃/min，所述高温掺杂处理的温度为700℃～900℃，优选的，所述高温掺杂处理的温度为800℃。

进一步的，步骤S3中，所述酸洗包括以下步骤：首先采用0.05mol/L～0.1mol/L的稀盐酸溶液洗涤5～10次后，然后采用去离子水进行水洗直至洗涤液体呈中性；所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

按照本发明的另一个方面，提供一种生物炭基氧还原反应催化剂。

进一步的，所述生物炭基氧还原反应催化剂的比表面积为350m²/g～700m²/g。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明采用含氮较多的豆渣作为原料，通过磷酸盐对催化剂形貌、结构进行控制，无需添加额外的氮源，不仅制备的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂表现出较好的电催化性能，同时又可以避免豆渣造成的环境污染及资源浪费等问题。

(2)本发明首先通过水热碳化步骤对豆渣粉末进行预处理，该过程可以对豆渣中存在的氮元素起到良好的固定作用，使得制备得到的生物炭基氧还原反应催化剂中能够保留更多的氮元素，有利于提高氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的催化活性。

(3)本发明所述方法制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，通过调控含磷酸盐种类及制备过程工艺，如水热时间、掺杂温度、掺杂时间等可实现催化剂形貌、结构的可控制备。通过控制掺杂温度生物炭的比表面积为350m²/g～700m²/g，氮、磷两种元素最大掺杂量分别可达3.45％和7.17％。

(4)本发明先后通过水热碳化、混合浸渍、高温掺杂三个步骤，即可制备得到具有良好催化活性的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，特别是在耐久性和抗中毒性方面有着比商业Pt/C催化剂(对比例)更加优良的性能。经过10000s耐久性测试，氮、磷共掺杂生物炭仍保持有初始电流的87.3％，而Pt/C催化剂仅有初始电流72％。

(5)本发明方法所获取的催化剂，比表面积达到350m²/g～700m²/g，在耐久性和抗中毒性方面有着比商业Pt/C催化剂(对比例)更加优良的性能。

附图说明

图1为本发明一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法流程图；

图2为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的扫描电镜照片；

图3为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的XPS图；

图4为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的氮元素分峰图；

图5为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的磷元素分峰图；

图6为本发明实施例1至实施例3中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的线性扫描曲线图；

图7为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂和Pt/C催化剂(对比例)耐久性图；

图8为本发明实施例2中制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂和Pt/C催化剂(对比例)抗中毒性图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明目的通过以下的技术方案实现：通过将豆渣作为原料，先后经过水热碳化、混合浸渍、高温掺杂三个步骤，制备得到具有良好催化活性的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，具体包括以下三个步骤：

A、水热碳化：将经过粉碎和筛分的豆渣与去离子水按照一定的比例放入水热反应釜中，在惰性气体的保护下升温至一定温度并保温一段时间，自然冷却至室温，经过滤、洗涤得到水热炭；其中，所述的粉碎为机械粉碎；所述的筛分为通过相应型号的不锈钢筛，以得到粒径0.1～0.5mm的豆渣粉末。添加进水热反应釜的豆渣粉末和去离子水的质量比为1:5～1:15。用氮气或氩气营造惰性氛围，气体流量50～100mL/min。水热碳化温度为150～200℃，保温时间为6～10h

B、混合浸渍：将从步骤A中得到的水热炭和含磷酸盐按一定质量比进行混合，加入适量去离子水以配制成溶液，并充分搅拌均匀，经过干燥和研磨后得到水热炭与盐混合物；在所述的步骤B中，将抽滤剩余固态产物先经过乙醇洗涤3～5次、再经过去离子水洗涤5～10次得到水热炭，同时，水热炭和含磷酸盐质量比为1:2～2:1，磁力搅拌3～6h，在105℃的恒温干燥箱中干燥8～12h。

C、高温掺杂：将从步骤B中得到的混合物置于立式炉内，在惰性气体的保护下升温至一定温度，进行高温掺杂处理一段时间后停止加热使其自然降温，待降至室温后把剩余的固体取出，并依次进行酸洗、水洗和干燥后，即可得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。在本步骤中，采用氮气或氩气营造惰性氛围，控制流量为200～500mL/min之间。掺杂温度为700～900℃，升温速率为5～10℃/min，保温时间为0.5～2h。在本步骤中，所述的酸洗采用的是0.05～0.1mol/L的稀盐酸溶液，酸洗5～10次后，采用去离子水进行水洗直至洗涤液体呈中性，可以采用pH试纸进行判断，然后再将固态产物在105℃的恒温干燥箱中进行干燥8～12h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

具体而言，本发明一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法包括以下步骤：

S1将分筛后的豆渣与去离子水按一定比例混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却至室温，经过滤、洗涤得到水热炭；其中，所述豆渣的粒径为0.1mm～0.5mm，所述豆渣与去离子水的质量比为1:5～1:15；优选的，所述豆渣与去离子水的质量比为1:10；所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min，优选的，所述温的速率为8℃/min，所述保温的温度为150℃～200℃，优选的，所述保温的温度为180℃，所述保温为6h～10h；所述洗涤包括以下步骤：用乙醇洗涤3～5次后，再用去离子水洗涤5～10次。

S2将所述水热炭与磷酸盐按照一定质量比进行混合，得到混合溶液，将所述混合溶液经蒸发、干燥和研磨处理后，得到炭、盐混合物；其中，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:2～2:1，优选的，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:1，所述磷酸盐为磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾中的一种或多种；将所述水热炭与磷酸盐的混合方式为磁力搅拌，所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

S3将所述炭、盐混合物在惰性气体氛围下进行升温，经高温掺杂处理后停止加热，冷却至室温，并依次进行酸洗、水洗和干燥，得到氮、磷共掺杂的生物炭基氧还原反应催化剂，其中，所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min，优选的，所述温的速率为8℃/min，所述高温掺杂处理的温度为700℃～900℃，优选的，所述高温掺杂处理的温度为800℃；所述酸洗包括以下步骤：首先采用0.05mol/L～0.1mol/L的稀盐酸溶液洗涤5～10次后，然后采用去离子水进行水洗直至洗涤液体呈中性；所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

本发明制备而成的生物炭基氧还原反应催化剂的比表面积可达350m²/g～700m²/g。

实施例1

本实施例的一种利用豆渣制备氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤A：将豆渣进行机械粉碎，过35和150目的不锈钢筛得到粒径介于0.1～0.5mm的豆渣粉末。采用电子天平称取20g豆渣粉末放入水热反应釜中，并加入200mL的去离子水。通入适量氮气后密封，无初始压力。设定搅拌转速200rpm，水热温度为180℃。当温度上升到180℃后开始计时，经过10h的保温时间后，关闭加热按钮，然后将反应釜水冷至室温，再取出反应釜内的固液悬浮物进行抽滤，并将剩余固体采用无水乙醇洗涤5次，去离子水洗涤8次，然后在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到生物炭。

步骤B：将生物炭与磷酸钾按照1:1的质量比进行混合，并加入适量的去离子水配制成水溶液进行混合浸渍。磁力搅拌4h至均匀，在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后得到浸渍混合物以作备用。

步骤C：采用电子天平取4g上述浸渍混合物置于不锈钢吊篮中，并将吊篮放入立式炉内进行掺杂。设定活化温度为700℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1h，控制氩气流量为500mL/min。待反应器自然冷却到室温再取出不锈钢吊篮中的剩余固体。采用0.1mol/L的稀盐酸溶液对剩余固体酸洗8次后，再采用去离子水进行水洗直至中性，可采用pH试纸进行判断。最后将固态产物在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

采用旋转圆盘电极对经过上述步骤制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂进行氧还原性能测试。称取10mg经过上述步骤制备得到的氧还原反应催化剂，依次加入100μL无水乙醇和40μL的Nafion溶液，经过30min的超声分散，再取2μL的混合溶液均匀地涂到工作电极玻碳电极上。此外，对电极为Pt丝电极，饱和甘汞电极为参比电极。电化学测试是在室温条件下、氧气饱和0.1mol/L KOH溶液中进行。循环伏安曲线(CV)具体测试参数为：扫描电压范围-0.8～0.2V(vs SCE，0.2～1.2V vs RHE)，扫描速率10mV/s；线性扫描伏安曲线(LSV)具体测试参数为：扫描电压为-1～0V(vs SCE,0～1V vs RHE)，扫描速率5mV/s，圆盘电极转速为1600rpm，氧还原起始电位为0.82V。

实施例2

参见图2-图8，本实施例的一种利用豆渣制备氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤A：将豆渣进行机械粉碎，过35和150目的不锈钢筛得到粒径介于0.1～0.5mm的豆渣粉末。采用电子天平称取20g豆渣粉末放入水热反应釜中，并加入200mL的去离子水。通入适量氮气后密封，无初始压力。设定搅拌转速200rpm，水热温度为180℃。当温度上升到180℃后开始计时，经过10h的保温时间后，关闭加热按钮，然后将反应釜水冷至室温，再取出反应釜内的固液悬浮物进行抽滤，并将剩余固体采用无水乙醇洗涤5次，去离子水洗涤8次，然后在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到生物炭。

步骤B：将生物炭与磷酸钾按照1:1的质量比进行混合，并加入适量的去离子水配制成水溶液进行混合浸渍。磁力搅拌4h至均匀，在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后得到浸渍混合物以作备用。

步骤C：采用电子天平取4g上述浸渍混合物置于不锈钢吊篮中，并将吊篮放入立式炉内进行掺杂。设定活化温度为800℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1h，控制氩气流量为500mL/min。待反应器自然冷却到室温再取出不锈钢吊篮中的剩余固体。采用0.1mol/L的稀盐酸溶液对剩余固体酸洗8次后，再采用去离子水进行水洗直至中性，可采用pH试纸进行判断。最后将固态产物在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

采用旋转圆盘电极对经过上述步骤制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂进行氧还原性能测试。称取10mg经过上述步骤制备得到的氧还原反应催化剂，依次加入100μL无水乙醇和40μL的Nafion溶液，经过30min的超声分散，再取2μL的混合溶液均匀地涂到工作电极玻碳电极上。此外，对电极为Pt丝电极，饱和甘汞电极为参比电极。电化学测试是在室温条件下、氧气饱和0.1mol/L KOH溶液中进行。循环伏安曲线(CV)具体测试参数为：扫描电压范围-0.8～0.2V(vs SCE，0.2～1.2VvsRHE)，扫描速率10mV/s；线性扫描伏安曲线(LSV)具体测试参数为：扫描电压为-1～0V(vs SCE,0～1V vs RHE)，扫描速率5mV/s，圆盘电极转速为1600rpm，氧还原起始电位为0.93V。

实施例3

本实施例的一种利用豆渣制备氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤A：将豆渣进行机械粉碎，过35和150目的不锈钢筛得到粒径介于0.1～0.5mm的豆渣粉末。采用电子天平称取20g豆渣粉末放入水热反应釜中，并加入200mL的去离子水。通入适量氮气后密封，无初始压力。设定搅拌转速200rpm，水热温度为180℃。当温度上升到180℃后开始计时，经过10h的保温时间后，关闭加热按钮，然后将反应釜水冷至室温，再取出反应釜内的固液悬浮物进行抽滤，并将剩余固体采用无水乙醇洗涤5次，去离子水洗涤8次，然后在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到生物炭。

步骤B：将生物炭与磷酸钾按照1:1的质量比进行混合，并加入适量的去离子水配制成水溶液进行混合浸渍。磁力搅拌4h至均匀，在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后得到浸渍混合物以作备用。

步骤C：采用电子天平取4g上述浸渍混合物置于不锈钢吊篮中，并将吊篮放入立式炉内进行掺杂。设定活化温度为900℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1h，控制氩气流量为500mL/min。待反应器自然冷却到室温再取出不锈钢吊篮中的剩余固体。采用0.1mol/L的稀盐酸溶液对剩余固体酸洗8次后，再采用去离子水进行水洗直至中性，可采用pH试纸进行判断。最后将固态产物在105℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

采用旋转圆盘电极对经过上述步骤制备得到的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂进行氧还原性能测试。称取10mg经过上述步骤制备得到的氧还原反应催化剂，依次加入100μL无水乙醇和40μL的Nafion溶液，经过30min的超声分散，再取2μL的混合溶液均匀地涂到工作电极玻碳电极上。此外，对电极为Pt丝电极，饱和甘汞电极为参比电极。电化学测试是在室温条件下、氧气饱和0.1mol/L KOH溶液中进行。循环伏安曲线(CV)具体测试参数为：扫描电压范围-0.8～0.2V(vs SCE，0.2～1.2V vs RHE)，扫描速率10mV/s；线性扫描伏安曲线(LSV)具体测试参数为：扫描电压为-1～0V(vs SCE,0～1V vs RHE)，扫描速率5mV/s，圆盘电极转速为1600rpm，氧还原起始电位为0.98V。

实施例4

本实施例的一种利用豆渣制备氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤A：将豆渣进行机械粉碎，过35和150目的不锈钢筛得到粒径介于0.1～0.5mm的豆渣粉末。采用电子天平称取20g豆渣粉末放入水热反应釜中，并加入200mL的去离子水。通入适量氮气后密封，无初始压力。设定搅拌转速200rpm，水热温度为150℃。当温度上升到150℃后开始计时，经过10h的保温时间后，关闭加热按钮，然后将反应釜水冷至室温，再取出反应釜内的固液悬浮物进行抽滤，并将剩余固体采用无水乙醇洗涤3次，去离子水洗涤5次，然后在150℃的恒温干燥箱中进行干燥6h后，即得到生物炭。

步骤B：将生物炭与磷酸钾按照1:2的质量比进行混合，并加入适量的去离子水配制成水溶液进行混合浸渍。磁力搅拌4h至均匀，在100℃的恒温干燥箱中进行干燥8h后得到浸渍混合物以作备用。

步骤C：采用电子天平取4g上述浸渍混合物置于不锈钢吊篮中，并将吊篮放入立式炉内进行掺杂。设定活化温度为700℃，升温速率为5℃/min，保温时间为1h，控制氩气流量为500mL/min。待反应器自然冷却到室温再取出不锈钢吊篮中的剩余固体。采用0.05mol/L的稀盐酸溶液对剩余固体酸洗8次后，再采用去离子水进行水洗直至中性，可采用PH试纸进行判断。最后将固态产物在100℃的恒温干燥箱中进行干燥8h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

实施例5

本实施例的一种利用豆渣制备氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂的方法，具体步骤如下：

步骤A：将豆渣进行机械粉碎，过35和150目的不锈钢筛得到粒径介于0.1～0.5mm的豆渣粉末。采用电子天平称取20g豆渣粉末放入水热反应釜中，并加入300mL的去离子水。通入适量氮气后密封，无初始压力。设定搅拌转速200rpm，水热温度为200℃。当温度上升到200℃后开始计时，经过6h的保温时间后，关闭加热按钮，然后将反应釜水冷至室温，再取出反应釜内的固液悬浮物进行抽滤，并将剩余固体采用无水乙醇洗涤5次，去离子水洗涤10次，然后在200℃的恒温干燥箱中进行干燥10h后，即得到生物炭。

步骤B：将生物炭与磷酸钾按照2:1的质量比进行混合，并加入适量的去离子水配制成水溶液进行混合浸渍。磁力搅拌10h至均匀，在110℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后得到浸渍混合物以作备用。

步骤C：采用电子天平取4g上述浸渍混合物置于不锈钢吊篮中，并将吊篮放入立式炉内进行掺杂。设定活化温度为900℃，升温速率为10℃/min，保温时间为1h，控制氩气流量为800mL/min。待反应器自然冷却到室温再取出不锈钢吊篮中的剩余固体。采用0.1mol/L的稀盐酸溶液对剩余固体酸洗10次后，再采用去离子水进行水洗直至中性，可采用pH试纸进行判断。最后将固态产物在110℃的恒温干燥箱中进行干燥12h后，即得到氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂。

采用本发明所述方法制备的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，通过调控含磷盐种类及制备过程工艺，如水热时间、掺杂温度、掺杂时间等可实现催化剂形貌、结构的可控制备。通过控制掺杂温度生物炭的比表面积为350m²/g～700m²/g，氮、磷两种元素最大掺杂量分别可达3.45％和7.17％。

本发明先后通过水热碳化、混合浸渍、高温掺杂三个步骤，即可制备得到具有良好催化活性的氮、磷共掺杂生物炭基氧还原反应催化剂，特别是在耐久性和抗中毒性方面有着比商业Pt/C催化剂(对比例)更加优良的性能。经过10000s耐久性测试，氮、磷共掺杂生物炭仍保持有初始电流的87.3％，而Pt/C催化剂仅有初始电流72％。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种利用豆渣制备生物炭基氧还原反应催化剂的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1将分筛后的豆渣与去离子水按一定比例混合，在惰性气体氛围下进行升温、保温，然后冷却至室温，经过滤、洗涤得到水热炭，所述保温的温度为150℃～200℃；

S2将所述水热炭与磷酸盐溶液按一定比例混合，得到混合溶液，将所述混合溶液经蒸发、干燥和研磨处理后，得到炭、盐混合物；

S3将所述炭、盐混合物在惰性气体氛围下进行升温，经高温掺杂处理后停止加热，冷却至室温，并依次进行酸洗、水洗和干燥，得到氮、磷共掺杂的生物炭基氧还原反应催化剂，其中，所述高温掺杂处理的温度为700℃～900℃。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述豆渣的粒径为0.1mm～0.5mm，所述豆渣与去离子水的质量比为1:5～1:15。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述豆渣与去离子水的质量比为1:10。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min，所述保温时间为6h～10h。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述升温的速率为8℃/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1中，所述保温的温度为180℃。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中，所述洗涤包括以下步骤：用乙醇洗涤3～5次后，再用去离子水洗涤5～10次。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:2～2:1，所述磷酸盐为磷酸钾、磷酸二氢钾、磷酸氢二钾中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述水热炭与所述磷酸盐的质量比为1:1。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，将所述水热炭与磷酸盐的混合方式为浸渍，所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述惰性气体氛围为氮气氛围或氩气氛围，所述升温的速率为5℃/min～10℃/min。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述升温的速率为8℃/min。

13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述高温掺杂处理的温度为800℃。

14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，所述酸洗包括以下步骤：首先采用0.05mol/L～0.1mol/L的稀盐酸溶液洗涤5～10次后，然后采用去离子水进行水洗直至洗涤液体呈中性；所述干燥的温度为100℃～110℃，所述干燥的时间为8h～12h。

15.一种如权利要求1-14任一项所述的方法制备而成的生物炭基氧还原反应催化剂。

16.根据权利要求15所述的生物炭基氧还原反应催化剂，其特征在于，所述生物炭基氧还原反应催化剂的比表面积为350m²/g～700m²/g。

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