CN112174116A - 一种氧化碳纳米管的制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氧化碳纳米管的制备方法与应用，将CNTs粉末与NaClO3粉末干燥混合后，取5ml的浓硝酸溶液以液滴的形式缓慢释放到CNTs‑ NaClO3混合粉末中，然后用塑料压板模仿制作面包中的揉制面团这一过程，揉制完毕的混合物在室温下静置，倒入去离子水搅拌一个小时，最后将得到的产物离心、过滤，并置于烘箱中干燥得到O‑CNTs催化剂。该制备方法简单、成本低、对环境危害小，制备得到的氧化碳纳米管在电催化还原氧气生产双氧水的过程中具有高选择性。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化碳纳米管的制备方法与应用，属于电催化中碳基催化剂技术领域。
背景技术
过氧化氢是一种环境友好的氧化剂，被认为是未来绿色化学的关键。广泛应用于漂白、化学合成、水消毒等领域，随着人民生活水平和生活质量的提高以及环保意识的加强，将进一步推动双氧水的发展，其开发利用前景广阔。目前，工业上大规模生产双氧水的方法是蒽醌法，但蒽醌法步骤繁琐，需要大规模的设备，耗能高，且在生产过程中会产生大量废弃物，此外双氧水的不稳定性给运输带来了安全问题。因此，一种绿色高效低成本的双氧水生产方法亟待开发。
氧还原的电化学策略为现场生产双氧水提供了一条有吸引力的途径，可以有效解决蒽醌法所面临的的问题。在电化学还原O2变成H2O的反应中，有两种反应途径，4e-途径：O2+4H++4e-→2H2O和2e-途径：O2+2H++2e-→H2O2，H2O2+2H++2e-→2H2O，而催化剂的选择是决定反应途径的关键因素之一，大量用于4e-途径的高效催化剂被开发报道，少数用于2e-途径的催化剂被报道。目前高效氧还原产生双氧水的催化剂大部分为贵金属催化剂，地球储量低、价格昂贵。与贵金属催化剂相比，碳基材料价格低廉，地球资源丰富，且具有可微调的独特的表面和结构性能，被认为是H2O2电化学合成中贵金属的有趣替代品。
发明内容
针对现有技术中存在的贵金属催化剂价格昂贵、资源有限的问题，本发明的目的在于提供一种氧化碳纳米管的制备方法与应用于电催化生产双氧水，该制备方法简单、成本低、对环境危害小，制备得到的氧化碳纳米管在电催化还原氧气生产双氧水的过程中具有高选择性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种O-CNTs催化剂的制备方法，将CNTs粉末与NaClO3粉末干燥混合后，取5ml的浓硝酸溶液以2秒每滴的液滴的形式缓慢释放到CNTs- NaClO3混合粉末中，然后用塑料压板模仿制作面包中的揉制面团这一过程，揉制完毕的混合物在室温下静置，倒入去离子水搅拌一个小时，最后将得到的产物离心、过滤，并置于烘箱中干燥得到O-CNTs催化剂。
优选地，所述的CNTs与NaClO3、浓硝酸的加入量比为：500mg：1.5-5g：5ml。
优选地，所述的揉制时间为10分钟，揉制完毕的混合物在室温下静置时间为10h。
优选地，所述的干燥温度为60℃。
上述所述的制备方法制备的催化剂为O-CNTs-X，X=3、7、10。
本发明还提供了该催化剂在电催化生产双氧水中的应用。
有益效果
本发明公开了一种氧化碳纳米管的制备方法，（1）该方法制备过程简单、成本低、对环境危害小。（2）该方法制备得到的电催化剂具有较大的电流密度、较高的双氧水选择性、稳定性和产量。
附图说明
图1（A）CNTs TEM图像；（B）O-CNTs-7 TEM图像；
图2（A）CNTs和O-CNTs-7的XRD图像；（B）CNTs和O-CNTs-7的XPS全谱分析；（C）O-CNTs-7催化剂C1s的XPS能谱分析；(D) O-CNTs-7催化剂O1s的XPS能谱分析。
图3（A）制备的各催化剂在O2中的LSV曲线；（B）制备的各催化剂的双氧水选择性；（C）O-CNTs-7催化剂的I-T曲线；(D) O-CNTs-7催化剂的时间-产量曲线。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
(1) O-CNTs催化剂的制备及表征：将500 mg CNTs粉末与X g NaClO3（X=1.5、3.5、5）粉末干燥混合后，取5ml的浓硝酸溶液以2秒每滴的液滴的形式缓慢释放到CNTs- NaClO3混合粉末中。然后用塑料压板模仿制作面包中的揉制面团这一过程，将混合物揉制10分钟。揉制完毕的混合物在室温下静置10h后，倒入50 ml 去离子水搅拌一个小时，最后将得到的产物离心、过滤以去除残留的酸和氧化剂，并置于60℃烘箱中干燥一晚；根据NaClO3加入的量，我们分别将产物记为O-CNTs-3、O-CNTs-7、O-CNTs-10。从图1 SEM图像看出，经过氧化处理后的O-CNTs-7与未处理的CNTs形貌基本未发生改变。XRD结果表明处理前后CNTs的晶面结构未发生变化。图2中XPS结果表明处理后的O-CNTs-7含有大量的含氧官能团。
（2）电化学氧还原测试：对上述制备的碳基催化剂进行线性扫描测试（LSV）和稳定性测试（I-T）。根据LSV的实验结果计算各催化剂的双氧水选择性，根据I-T的实验结果评价催化剂的稳定性，并与紫外可见分光光度计（UV-8000）相结合计算得到催化剂的双氧水产量。所有的电化学测试都是在室温下进行的，利用常规的三电极系统CHI 660电化学站进行电化学氧还原测试。旋转圆盘电极（RDE）、饱和甘汞电极（SCE）和石墨棒分别作为工作电极、参比电极和对电极。线性扫描测试（LSV）和稳定性测试（I-T）都是在饱O2 的0.1M KOH电解质中进行的。LSV的扫描速率为20 mV s-1。图3（A）制备的各催化剂在O2中的LSV曲线，实线代表盘电流，虚线代表环电流；（B）制备的各催化剂的双氧水选择性，随着NaClO3的增加，双氧水选择性呈现先增加后降低的趋势，并在O-CNTs-7达到最大值，约为90%；（C）O-CNTs-7催化剂的I-T曲线，随着反应时间的增加，盘电流与环电流曲线仅发生微小变化，说明催化剂具有良好的稳定性；(D) O-CNTs-7催化剂的时间-产量曲线，随着反应时间的增加，双氧水产量持续增加。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (6)
1.一种O-CNTs催化剂的制备方法，其特征在于，将CNTs粉末与NaClO3粉末干燥混合后，取5ml的浓硝酸溶液以2秒每滴的液滴的形式缓慢释放到CNTs- NaClO3混合粉末中，然后用塑料压板模仿制作面包中的揉制面团这一过程，揉制完毕的混合物在室温下静置，倒入去离子水搅拌一个小时，最后将得到的产物离心、过滤，并置于烘箱中干燥得到O-CNTs催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的CNTs与NaClO3、浓硝酸的加入量比为：500mg：1.5-5g：5ml。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的揉制时间为10分钟，揉制完毕的混合物在室温下静置时间为10h。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的干燥温度为60℃。
5.一种权利要求1-4之一所述的制备方法制备的催化剂O-CNTs-X，X=3、7、10。
6.一种权利要求5所述的催化剂在电催化生产双氧水中的应用。
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