-0. 50 V電勢(shì)下的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為 3. 2,說(shuō)明所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑具有較好的電催化性能。
[0037] 實(shí)施例5 將生物質(zhì)蜘蛛絲和雙氰胺以1:10的質(zhì)量比混合均勻后，置于熱解爐中，在高純氮?dú)獗?護(hù)下，以I °C/min的速率升溫至600 °C，保溫I h，再以3 °C/min的速率升溫至900 °C， 保溫I h進(jìn)行高溫?zé)峤猓鋮s至室溫，得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑。
[0038] 所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑中，石墨烯包裹在碳纖維周?chē)?得電催化劑比表面積為較高，具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電 催化劑由C、0和N組成，N原子百分含量高，含N官能團(tuán)作為氧還原反應(yīng)的活性位點(diǎn)，有助 于提尚電催化氧還原性能。
[0039] 測(cè)量所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑在飽和氧的0.1 M KOH水溶液 中1600 rpm下的線性掃描伏安曲線，測(cè)得生物質(zhì)基氮摻雜石墨稀/碳纖維電催化劑的起始 電勢(shì)為-0. 16 V ;在飽和氧的0.1 M KOH水溶液中，測(cè)量所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖 維電催化劑在不同轉(zhuǎn)速（400,600,900，1200和1600印111)下的線性掃描伏安曲線，并通過(guò) Koutecky-Levich公式求解-0. 50 V下的電子轉(zhuǎn)移數(shù)，測(cè)得-0. 50 V電勢(shì)下的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為 3. 5,說(shuō)明所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑具有較好的電催化性能。
[0040] 對(duì)比例I 將生物質(zhì)蠶繭置于熱解爐中，在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以I °C/min的速率升溫至600 °C， 保溫I h，再以3 °C/min的速率升溫至900 °C，保溫I h進(jìn)行高溫?zé)峤猓鋮s至室溫，得單 一結(jié)構(gòu)的碳纖維，所得碳纖維比表面積為1032. I m2/g，具有分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)。
[0041] 如圖5所示，對(duì)比例1未加入三聚氰胺和g-C3N4進(jìn)行熱解后，只獲得了單一結(jié)構(gòu)的 碳纖維，直徑在5~15 μ m之間，而如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨 烯/碳纖維電催化劑中，碳纖維外周包裹有大量的石墨烯。
[0042] 如圖2所示，對(duì)比例1所得單一結(jié)構(gòu)的碳纖維幾乎不含有N (參見(jiàn)表1)，而實(shí)施例 1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑中引入了更多的N，從而能提供更多的活性 位點(diǎn)，這對(duì)于提高電催化性能是非常有益的。
[0043] 如圖3所示，測(cè)量對(duì)比例1所得單一結(jié)構(gòu)的碳纖維電催化劑在飽和氧的0.1 M KOH 水溶液中1600 rpm下的線性掃描伏安曲線，測(cè)得單一結(jié)構(gòu)的碳纖維的起始電勢(shì)為-0. 262 V，比實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑負(fù)114 mV ;如圖4所示，-0. 50 V下的電子轉(zhuǎn)移數(shù)僅為2. 39,比實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑的 更低。說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑具有比單一結(jié)構(gòu) 碳纖維更好的電催化性能。
[0044] 對(duì)比例2 將對(duì)比例1所得單一結(jié)構(gòu)的碳纖維與三聚氰胺和g_C3N4以1:5:5的質(zhì)量比混合均勻 后，置于熱解爐中，在高純氮?dú)獗Ｗo(hù)下，以I °C/min的速率升溫至600 °C，保溫I h，再以3 °C/min的速率升溫至900 °C，保溫I h進(jìn)行高溫?zé)峤?，冷卻至室溫，得氮摻雜的碳纖維電催 化劑。
[0045] 如圖6所示，所得生物質(zhì)基氮摻雜的碳纖維，直徑在5~15 μπι之間，纖維周?chē)鷽](méi) 有石墨烯包裹，而如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化 劑中，碳纖維外周包裹有大量的石墨烯。
[0046] 如圖2所示，所得氮摻雜的碳纖維含有Ν，但N原子百分含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)施例1(參 見(jiàn)表1)，說(shuō)明由于碳化后的生物質(zhì)在與石墨相氮化碳前驅(qū)體及石墨相氮化碳混合時(shí)已經(jīng)不 具備釋放出含碳小分子的能力，不利于石墨烯的形成，進(jìn)而影響氮摻雜效果，因此，所能形 成的N活性位點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)施例1，電催化性能也會(huì)更差。
[0047] 如圖3所示，測(cè)量對(duì)比例2所得氮摻雜的碳纖維電催化劑在飽和氧的0.1 M KOH水 溶液中1600 rpm下的線性掃描伏安曲線，測(cè)得氮摻雜的碳纖維的起始電勢(shì)為-0.360 V，比 實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑負(fù)212 mV ;如圖4所示，-0. 50 V下 的電子轉(zhuǎn)移數(shù)為2. 58,比實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑的更低。 說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例1所得生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑具有比氮摻雜的碳纖維 更好的電催化性能。
[0048] 另外，由于石墨相氮化碳是半導(dǎo)體，電子轉(zhuǎn)移效率差，所以若單獨(dú)使用石墨相氮化 碳作為電催化劑，不能得到較好的電催化性能。
[0049] 表1實(shí)施例1、對(duì)比例1、2所得催化劑中各元素的原子百分含量和N元素中石 墨-N和吡啶-N官能團(tuán)的質(zhì)量百分比
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于，按照以下方法制成：將 生物質(zhì)與石墨相氮化碳前驅(qū)體和石墨相氮化碳以1:0~20:0~20的質(zhì)量比通過(guò)球磨的方 式混合均勻后，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行熱解，冷卻至室溫，即成；所述石墨相氮化碳前驅(qū)體 和石墨相氮化碳不同時(shí)為0。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于：所述 生物質(zhì)與石墨相氮化碳前驅(qū)體和石墨相氮化碳的質(zhì)量比為1:3~10:3~10。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于，所 述熱解的過(guò)程是：以0. 5~3. 5 °C /min的速率升溫至550~680 °C，保溫0. 5~5. 0 h， 再以1~5 °C /min的速率升溫至700~1100 °C，保溫0. 5~5. 0 h。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于，所述熱 解的過(guò)程是：以I. 0~3. 0°C /min的速率升溫至550~680 °C，保溫1~3 h，再以2~4 °C /min的速率升溫至800~1000 °C，保溫1~3 h。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4之一所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在 于：所述生物質(zhì)為天然的有機(jī)纖維。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于：所述 天然的有機(jī)纖維為蠶繭、蜘蛛絲、棉花或秸桿中的一種或幾種。7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于： 所述石墨相氮化碳前驅(qū)體為三聚氰胺、尿素、氰胺、雙氰胺或胍中的一種或幾種。8. 根據(jù)權(quán)利要求3所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于：所述 石墨相氮化碳前驅(qū)體為三聚氰胺、尿素、氰胺、雙氰胺或胍中的一種或幾種。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于：所述 石墨相氮化碳前驅(qū)體為三聚氰胺、尿素、氰胺、雙氰胺或胍中的一種或幾種。10. 根據(jù)權(quán)利要求5或6所述生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑，其特征在于： 所述石墨相氮化碳前驅(qū)體為三聚氰胺、尿素、氰胺、雙氰胺或胍中的一種或幾種。
【專(zhuān)利摘要】生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑及其制備方法，所述電催化劑按照以下方法制成：將生物質(zhì)與石墨相氮化碳前驅(qū)體和石墨相氮化碳以1:0～20:0～20的質(zhì)量比通過(guò)球磨的方式混合均勻后，在惰性氣氛保護(hù)下進(jìn)行熱解，冷卻至室溫，即成；所述石墨相氮化碳前驅(qū)體和石墨相氮化碳不同時(shí)為0。本發(fā)明生物質(zhì)基氮摻雜石墨烯/碳纖維電催化劑在碳纖維上原位生成氮摻雜的石墨烯，引入了更多的活性位點(diǎn)，導(dǎo)電性更強(qiáng)；本發(fā)明方法無(wú)需任何預(yù)處理，只需一步，避免了過(guò)多的化學(xué)反應(yīng)和復(fù)雜的合成過(guò)程，生產(chǎn)周期很短，可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大化生產(chǎn)；本發(fā)明電催化劑在電催化氧還原、光催化產(chǎn)氫、光催化降解、催化劑載體、污水處理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
【IPC分類(lèi)】H01M4/90, B01J27/24
【公開(kāi)號(hào)】CN105032469
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510488448
【發(fā)明人】王應(yīng)德, 雷永鵬, 施旗
【申請(qǐng)人】中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月11日