CN112320785A - 一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法及用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法及用途，该方法涉及的装置是由原料罐、粉末输送管、物料混合罐、搅拌器、溶液配制罐、溶液输送管、悬浊液输送管、干燥机、粉末收集罐、连续式炭化炉、粉末洗涤罐、溶液喷洒管、溶液喷嘴、二次水储存罐、液体输送管、乙醇储存罐、出料口与储料罐组成，以生物质作为碳源，再掺入铁离子，并在氨气中进行热解，得到氮化铁和氮共掺杂的碳材料。该材料比表面积大，氮化铁分散均匀，氮化铁纳米粒子与氮掺杂碳结构中的Fe‑N‑C位点协同作用，使得电催化性能优异，具有长期稳定性以及抗甲醇干扰能力，同时以生物质作为原材料，其来源广泛，价格低廉，可以有效降低制备成本，制备过程简单，可大规模制备。

Description

一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法及用途
技术领域
本发明涉及一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法及用途。
背景技术
当今社会的发展离不开能源的推动，然而煤、石油、天然气等不可再生能源的储量逐渐减少，同时化石燃料的使用对环境造成的污染日益显著，这促使人们开发绿色高效的新能源以替代传统不可再生能源。因此，探索绿色高效的新能源应该引起社会的重视。
在众多绿色能源中，燃料电池因其高能量密度、绿色无污染等特点在新能源电动汽车和移动设备中有广阔的应用前景。但是由于燃料电池阴极氧还原反应(ORR)的动力学过程缓慢，需要在阴极加载大量的铂基催化剂来加速阴极反应。而铂在自然界中储量稀少、价格昂贵阻碍了燃料电池的大规模商业化应用。
因此，为了解决目前存在的问题，本发明拟使用生物质作为前体，再掺入铁离子并在氨气氛中进行热解，得到氮化铁和氮共掺杂的碳材料。此材料比表面积大，过渡金属分散均匀，氮化铁纳米粒子与N掺杂碳结构中的Fe-N-C位点协同作用，使得电催化性能优异，具有长期稳定性以及抗甲醇干扰能力，同时以生物质作为原材料，其来源广泛，价格低廉，可以有效降低制备成本，制备过程简单，可大规模制备。
发明内容
本发明目的在于，提供一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法及用途，该方法涉及的装置是由原料罐、第一粉末输送管、物料混合罐、第一搅拌器、第一溶液配制罐、第一溶液输送管、第一悬浊液输送管、第一干燥机、第一粉末收集罐、第二粉末输送管、连续式炭化炉、第三粉末输送管、粉末洗涤罐、溶液喷洒管、溶液喷嘴、第二搅拌器、二次水储存罐、第一液体输送管、乙醇储存罐、第二液体输送管、出料口、第二干燥机与储料罐组成，以生物质作为碳源，再掺入铁离子，并在氨气(NH3)氛中进行热解，得到氮化铁(Fe3N)和氮共掺杂的碳材料。该材料比表面积大，氮化铁分散均匀，氮化铁纳米粒子与氮掺杂碳结构中的Fe-N-C位点协同作用，使得电催化性能优异，具有长期稳定性以及抗甲醇干扰能力，同时以生物质作为原材料，其来源广泛，价格低廉，可以有效降低制备成本，制备过程简单，可大规模制备。
本发明所述的一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法，该方法涉及的装置是由原料罐(1)、第一粉末输送管(2)、物料混合罐(3)、第一搅拌器(4)、溶液配制罐(5)、第一溶液输送管(6)、悬浊液输送管(7)、第一干燥机(8)、粉末收集罐(9)、第二粉末输送管(10)、连续式炭化炉(11)、第三粉末输送管(12)、粉末洗涤罐(13)、溶液喷洒管(14)、溶液喷嘴(15)、第二搅拌器(16)、二次水储存罐(17)、第二溶液输送管(18)、乙醇储存罐(19)、第三溶液输送管(20)、出料管(21)、第二干燥机(22)和储料罐(23)组成，在原料罐(1)的一端通过第一粉末输送管(2)与物料混合罐(3)连接，物料混合罐(3)内装有第一搅拌器(4)，物料混合罐(3)的顶端通过第一溶液输送管(6)与溶液配制罐(5)连接，物料混合罐(3)的底端通过悬浊液输送管(7)与第一干燥机(8)相连，第一干燥机(8)底部设置粉末收集罐(9)，粉末收集罐(9)通过第二粉末输送管(10)与连续式炭化炉(11)一端相连，连续式炭化炉(11)的另一端通过第三粉末输送管(12)与粉末洗涤罐(13)连接，粉末洗涤罐(13)内设有第二搅拌器(16)，粉末洗涤罐(13)的顶端装有二次水存储罐(17)和乙醇储存罐(19)，二次水存储罐(17)的一端通过第二溶液输送管(18)与溶液喷洒管(14)连接，乙醇储存罐(19)的一端通过第三溶液输送管(20)与溶液喷洒管(14)相连，溶液喷洒管(14)上均等排列若干个溶液喷嘴(15)，粉末洗涤罐(13)通过出料管(21)与第二干燥机(22)相连，第二干燥机(22)与储料罐(23)连接，采用以生物质作为碳源，再掺入铁离子，并在氨气氛中进行热解，得到氮化铁和氮共掺杂的碳材料，具体操作按下列步骤进行：
a、将生物质碳源洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为1-10％盐酸处理，处理温度为50-100℃，时间3-6h以除去杂质，处理后的生物质粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中50-100℃干燥12-24h；其中生物质碳源选自梨木、苹果木、枣木、桃木、杏壳、核桃壳或棉秆；
b、称取步骤a所得的生物质粉末置于原料罐(1)中，通过第一粉末输送管(2)转入物料混合罐(3)中，然后将溶液配制罐(5)中的可溶性铁盐溶液通过第一溶液输送管(6)转入物料混合罐(3)中，启动第一搅拌器(4)，将混合后的悬浊液在室温下反应24-48h，反应完毕后，将物料混合罐(3)中的悬浊液通过悬浊液输送管(7)转入第一干燥机(8)中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器(9)中，通过第二粉末输送管(10)转入连续式炭化炉(11)中，在氨气保护下800-1000℃煅烧3-5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管(12)转入粉末洗涤罐(13)中，其中可溶性铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，可溶性铁盐的浓度为10-200mM；生物质粉末与可溶性铁盐的体积比为1:15-1:30；
c、然后分别将二次水存储罐(17)和乙醇储存罐(19)中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管(18)、第三溶液输送管(20)、溶液喷洒管(14)及溶液喷嘴(15)均匀喷洒在粉末洗涤罐(13)内；
d、启动第二搅拌器(16)，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐(13)内的粉末通过出料管(21)转入第二干燥机(22)中干燥，干燥后的粉末转入储料罐(23)储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
所述方法获得到的氮化铁掺杂的碳材料在制备电催化氧还原中的用途。
附图说明
图1为本发明实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料的透射电镜(TEM)图；
图2为本发明实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料的X射线衍射(XRD)图；
图3为本发明实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料与商业化的铂黑(Pt/C)催化剂在同样的条件下对抗甲醇性能图：左图为实施例2制备的材料，右图为商业化的Pt/C催化剂(实线为未添加甲醇、虚线为添加甲醇)；
图4为本发明中氮化铁和氮共掺杂的碳材料的生产装置图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行详细说明，但不仅限于本实施例。
实施例1
本发明所述的一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法，该方法涉及的装置是由原料罐1、第一粉末输送管2、物料混合罐3、第一搅拌器4、溶液配制罐5、第一溶液输送管6、悬浊液输送管7、第一干燥机8、粉末收集罐9、第二粉末输送管10、连续式炭化炉11、第三粉末输送管12、粉末洗涤罐13、溶液喷洒管14、溶液喷嘴15、第二搅拌器16、二次水储存罐17、第二溶液输送管18、乙醇储存罐19、第三溶液输送管20、出料管21、第二干燥机22和储料罐23组成，在原料罐1的一端通过第一粉末输送管2与物料混合罐3连接，物料混合罐3内装有第一搅拌器4，物料混合罐3的顶端通过第一溶液输送管6与溶液配制罐5连接，物料混合罐3的底端通过悬浊液输送管7与第一干燥机8相连，第一干燥机8底部设置粉末收集罐9，粉末收集罐9通过第二粉末输送管10与连续式炭化炉11一端相连，连续式炭化炉11的另一端通过第三粉末输送管12与粉末洗涤罐13连接，粉末洗涤罐13内设有第二搅拌器16，粉末洗涤罐13的顶端分别装有二次水存储罐17和乙醇储存罐19，二次水存储罐17的一端通过第二溶液输送管18与溶液喷洒管14连接，乙醇储存罐19的一端通过第三溶液输送管20与溶液喷洒管14相连，溶液喷洒管14上均等排列若干个溶液喷嘴15，粉末洗涤罐13通过出料管21与第二干燥机22相连，第二干燥机22与储料罐23连接，采用以生物质作为碳源，再掺入铁离子，并在氨气氛中进行热解，得到氮化铁和氮共掺杂的碳材料，具体操作按下列步骤进行：
a、将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为10％盐酸处理，处理温度为80℃，时间6h以除去杂质，处理后的生物质粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的核桃壳粉末1kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中15L的100mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例2
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为1％盐酸处理，处理温度为50℃，时间3h以除去杂质，处理后的核桃壳粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中500℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的核桃壳粉末2kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的30L的10mM硝酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度800℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末材料通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例3
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为2％盐酸处理，处理温度为60℃，时间4h以除去杂质，处理后的核桃壳粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中70℃干燥15h；
b、称取步骤a所得的核桃壳粉末5kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的100L的75mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应30h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度850℃煅烧5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例4
该方法涉及的装置依据实施例1具体操作按下列步骤进行：
a、将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为5％盐酸处理，处理温度为80℃，时间5h以除去杂质，处理后的核桃壳粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中90℃干燥24h；
b、称取步骤a所得的核桃壳粉末10kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的150L的150mM硫酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应48h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度1000℃煅烧5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末材料通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例5
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将梨木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为8％盐酸处理，处理温度为100℃，时间3h以除去杂质，处理后的梨木粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中50℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的梨木粉末1kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的15L的20mM硝酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度800℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末材料通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例6
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将梨木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为5％盐酸处理，处理温度为70℃，时间6h以除去杂质，处理后的梨木粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中70℃干燥15h；
b、称取步骤a所得的梨木粉末5kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的30L的95mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应36h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度900℃煅烧4小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末材料通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例7
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将苹果木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为2％盐酸处理，处理温度为55℃，时间3h以除去杂质，处理后的苹果木粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中50℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的苹果木粉末5kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的100L的150mM硫酸铁溶通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应36h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度850℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例8
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将枣木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为8％盐酸处理，处理温度为70℃，时间5h以除去杂质，处理后的生物质粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中70℃干燥18h；
b、称取步骤a所得的枣木粉末10kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的150L的200mM硝酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应40h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度950℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管1)、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例9
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为3％盐酸处理，处理温度为65℃，时间6h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中50℃干燥16h；
b、称取步骤a所得的棉秆粉末1kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的15L的85mM硫酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应28h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度880℃煅烧5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例10
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为10％盐酸处理，处理温度为100℃，时间3h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中100℃干燥24h；
b、称取步骤a所得的棉秆粉末2kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的30L的100mM硫酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应48h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度1000℃煅烧5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例11
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为8％盐酸处理，处理温度为90℃，时间5h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中70℃干燥22h；
b、称取步骤a所得的棉秆粉末5kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的100L的150mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应48h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度1000℃煅烧4小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例12
该方法涉及的装置依据实施例1，具体操作按下列步骤进行：
a、将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为10％盐酸处理，处理温度为90℃，时间6h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中95℃干燥22h；
b、称取步骤a所得的棉秆粉末10kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中的150L的200mM硫酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液在室温下反应45h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器(9)，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中，在氨气保护下温度1000℃煅烧5小时，断煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例13(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于使用氮气气氛，具体操作按下列步骤进行：
a、将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的核桃壳粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的核桃壳粉末2kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中30L的75mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液搅拌24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氮气气氛保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例14(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于将原料直接通过第二粉末输送管转入连续式炭化炉中，具体操作按下列步骤进行：
将核桃壳洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的核桃壳粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
称取所得的核桃壳粉2kg末直接通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氨气保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管(18)、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末材料通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例15(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于使用氮气气氛，具体操作按下列步骤进行：
a、将梨木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的梨木粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中80℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的梨木粉末2kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中30L的75mM硝酸铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液搅拌24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氮气气氛保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例16(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于将原料直接通过第二粉末输送管转入连续式炭化炉中，具体操作按下列步骤进行：
将梨木洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的梨木粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
称取所得的梨木粉末2kg直接通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氨气保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例17(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于使用氮气气氛，具体操作按下列步骤进行：
a、将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
b、称取步骤a所得的棉秆粉末2kg置于原料罐1中，通过第一粉末输送管2转入物料混合罐3中，然后将溶液配制罐5中30L的75mM三氯化铁溶液通过第一溶液输送管6转入物料混合罐3中，启动第一搅拌器4，将混合后的悬浊液搅拌24h后，物料混合罐3中的悬浊液通过悬浊液输送管7转入第一干燥机8中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器9中，再通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氮气保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
c、然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
d、启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
实施例18(对比)
该方法涉及的装置依据实施例1，区别在于将原料直接通过第二粉末输送管转入连续式炭化炉中，具体操作按下列步骤进行：
将棉秆洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用10％盐酸在温度80℃下处理6h以除去杂质，处理后的棉秆粉末用二次水洗涤，直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中温度80℃干燥12h；
称取所得的棉秆粉末2kg直接通过第二粉末输送管10转入连续式炭化炉11中在氨气保护下温度900℃煅烧3小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管12转入粉末洗涤罐13中；
然后分别将二次水存储罐17和乙醇储存罐19中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管18、第三溶液输送管20、溶液喷洒管14及溶液喷嘴15均匀喷洒在粉末洗涤罐13内；
启动第二搅拌器16，将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐13内的粉末通过出料管21转入第二干燥机22中干燥，干燥后的粉末转入储料罐23储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
将实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料与对比实施例15、对比实施例16、商业化的Pt/C催化剂在同样的条件下氧还原数据对比见表1：
表1
Figure BDA0002760576000000111
从表中可以看出：实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料的半波电位可以达到0.773V，高于其余两组对比实施例以及商业化的Pt/C。同时，该材料的极限电流密度也高于商业化的Pt/C，这表明实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料具有卓越的氧还原能力；
将实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料与商业化的Pt/C催化剂在同样的条件下长期稳定性能对比(随着测试时间延长，其电流密度保持率)见表2：
表2
Figure BDA0002760576000000112
从表中可以看出：当测试时间达到30000s时，实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料的电流密度保持率可以达到56％，而商业化的Pt/C的电流密度保持率仅为28％。这表明在相同的测试条件下，相对于商业化的Pt/C，实施例6制备的氮化铁和氮共掺杂的碳材料具有更加优异的稳定性能。

Claims (2)

1.一种氮化铁和氮共掺杂的碳材料制备方法，其特征在于该方法涉及的装置是由原料罐（1）、第一粉末输送管（2）、物料混合罐（3）、第一搅拌器（4）、溶液配制罐（5）、第一溶液输送管（6）、悬浊液输送管（7）、第一干燥机（8）、粉末收集罐（9）、第二粉末输送管（10）、连续式炭化炉（11）、第三粉末输送管（12）、粉末洗涤罐（13）、溶液喷洒管（14）、溶液喷嘴（15）、第二搅拌器（16）、二次水储存罐（17）、第二溶液输送管（18）、乙醇储存罐（19）、第三溶液输送管（20）、出料管（21）、第二干燥机（22）和储料罐（23）组成，在原料罐（1）的一端通过第一粉末输送管（2）与物料混合罐（3）连接，物料混合罐（3）内装有第一搅拌器（4），物料混合罐（3）的顶端通过第一溶液输送管（6）与溶液配制罐（5）连接，物料混合罐（3）的底端通过悬浊液输送管（7）与第一干燥机（8）相连，第一干燥机（8）底部设置粉末收集罐（9），粉末收集罐（9）通过第二粉末输送管（10）与连续式炭化炉（11）一端相连，连续式炭化炉（11）的另一端通过第三粉末输送管（12）与粉末洗涤罐（13）连接，粉末洗涤罐（13）内设有第二搅拌器（16），粉末洗涤罐（13）的顶端装有二次水存储罐（17）和乙醇储存罐（19），二次水存储罐（17）的一端通过第二溶液输送管（18）与溶液喷洒管（14）连接，乙醇储存罐（19）的一端通过第三溶液输送管（20）与溶液喷洒管（14）相连，溶液喷洒管（14）上均等排列若干个溶液喷嘴（15），粉末洗涤罐（13）通过出料管（21）与第二干燥机（22）相连，第二干燥机（22）与储料罐（23）连接，采用以生物质作为碳源，再掺入铁离子，并在氨气氛中进行热解，得到氮化铁和氮共掺杂的碳材料，具体操作按下列步骤进行：
a、将生物质碳源洗净粉碎，用200目筛进行筛分，再用浓度为1-10%盐酸处理，处理温度为50-100℃，时间3-6 h以除去杂质，处理后的生物质粉末用二次水洗涤直至pH值为7，之后在恒温干燥箱中50-100℃干燥12-24h；其中生物质碳源选自梨木、苹果木、枣木、桃木、杏壳、核桃壳或棉秆；
b、称取步骤a所得的生物质粉末置于原料罐（1）中，通过第一粉末输送管（2）转入物料混合罐（3）中，然后将溶液配制罐（5）中的可溶性铁盐溶液通过第一溶液输送管（6）转入物料混合罐（3）中，启动第一搅拌器（4），将混合后的悬浊液在室温下反应24-48h，反应完毕后，将物料混合罐（3）中的悬浊液通过悬浊液输送管（7）转入第一干燥机（8）中干燥，干燥后的粉末转入粉末收集器（9）中，通过第二粉末输送管（10）转入连续式炭化炉（11）中，在氨气保护下800-1000℃煅烧3-5小时，煅烧后的粉末通过第三粉末输送管（12）转入粉末洗涤罐（13）中，其中可溶性铁盐为氯化铁、硝酸铁或硫酸铁，可溶性铁盐的浓度为10-200mM；生物质粉末与可溶性铁盐的体积比为1:15-1:30；
c、然后分别将二次水存储罐（17）和乙醇储存罐（19）中的二次水和乙醇通过第二溶液输送管（18）、第三溶液输送管（20）、溶液喷洒管（14）及溶液喷嘴（15）均匀喷洒在粉末洗涤罐（13）内；
d、启动第二搅拌器（16），将混合后的悬浊液搅拌1小时后，粉末洗涤罐（13）内的粉末通过出料管（21）转入第二干燥机（22）中干燥，干燥后的粉末转入储料罐（23）储存，即得氮化铁和氮共掺杂的碳材料。
2.如权利要求1所述的方法获得到的氮化铁掺杂的碳材料在制备电催化氧还原中的用途。
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