一种富含C-O-C官能团功能化碳材料催化剂及制备方法与应用

本发明涉及电催化催化剂，尤其是涉及一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂及制备方法与应用。

背景技术：

1、过氧化氢，作为一种重要的氧化剂，其应用领域颇为广泛，包括有机合成、消毒以及漂白等。这归因于其高氧化性和产物仅为环保的水，无其他有害副产品。当前，主要的过氧化氢生产方法为蒽醌法，但该方法需依赖于昂贵的贵金属催化剂，且涉及有毒有机溶剂的使用，复杂的操作为实际生产带来诸多难题。此外，通过二电子(2e-)氧还原反应(orr)也可以合成过氧化氢。这种电化学方法以其温和的条件和高成本效益而著称，不仅展示出连续生产和环境友好的生产潜力，更预示着化学合成领域的变革。在复杂的2e-orr过程中，关键在于缓解具有竞争力的4e-orr反应。因此，研发具有高活性和优异的2e-orr选择性的电催化剂，对电化学产过氧化氢具有重要意义。尽管贵金属合金如pd-au、pt-hg和pd-hg被视为典型的催化剂，在2e-orr中表现出低的氧还原过电位和高的过氧化氢选择性，但资源的稀缺阻碍了其大规模应用中的发展。

2、碳材料因其成本效益高、导电性好、较大的比表面积和稳定性强而备受瞩目，成为电化学产过氧化氢领域的重要催化剂。先前的研究已经证实，2e-orr工艺在碳基电化学催化剂的选择性和活性方面仍有很大的提升空间。含氧碳材料催化剂表现出卓越的2e-orr能力，其中c-o-c被认为是电催化产h2o2的重要活性位点。当前，制备具有c-o-c官能团的化剂方法主要依赖于强酸氧化工艺，然而这种方法不仅会导致环境污染，生成大量废酸，而且制备出的材料氧含量偏低，c-o-c活性位点稀少。此外，大部分材料的尺寸较大，比表面积较小，暴露的活性位点有限，因此催化产h2o2的效果不尽如人意，性能普遍低于80％。

3、因此，迫切需要寻找专为电催化产过氧化氢而设计的新型催化剂，已成为当务之急。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂及制备方法与应用，将该功能化碳材料催化剂应用于电催化过氧化氢中，具有较高的选择性，且该制备方法简单、经济环保。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的技术方案之一在于提供一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，将第一含氧前驱体和第二含氧前驱体分散于溶剂中，超声处理后进行水热反应，依次按冷却、抽滤、旋转蒸发、透析、冷冻干燥，得到功能化碳材料催化剂，即目标产物。

4、进一步地，所述第一含氧前驱体包括邻羟基苯甲酸、间羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸，所述第二含氧前驱体包括邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚。

5、进一步地，所述第一含氧前驱体和第二含氧前驱体的质量比为1：(0.33～2)。

6、进一步地，所述溶剂包括四氢呋喃、无水乙醇、去离子水、甲醇、丙酮。

7、进一步地，所述含氧前驱体在溶剂中的浓度为5～50mg/ml。

8、进一步地，所述超声处理的时间为10～30min。

9、进一步地，所述水热反应的温度为150～230℃。

10、进一步地，所述水热反应的时间为5～15h。

11、进一步地，所述冷却后的温度为室温。

12、进一步地，所述抽滤采用0.0～0.3μm有机相微孔膜过滤杂质。

13、进一步地，所述旋转蒸发的温度为50～60℃，所述旋转蒸发的时间为20min～50min。

14、进一步地，所述透析采用3000～4000da的透析袋进行全透析。

15、进一步地，所述冷冻干燥的温度为-30～-20℃，所述冷冻干燥的时间为12～48h。

16、本发明的技术方案之二在于提供一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂，其采用上述的制备方法制备得到。

17、本发明的技术方案之三在于提供一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂在电催化产过氧化氢领域的应用，具体为利用其制备高选择性电催化氧还原产过氧化氢的富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂，进行二电子电催化氧还原反应，产生过氧化氢。

18、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

19、(1)本发明制得富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂是通过溶剂热法合成的，这一过程使含氧前驱体经过溶剂热/水热法的分子融合，转化为富含c-o-c官能团的富氧碳量子点，可提供更多活性位点，在二电子氧还原产过氧化氢中具有较高的选择性与优异的稳定性。

20、(2)本发明通过溶剂热/水热反应，采取调控前驱体同分异构制得出不同的高c-o-c官能团含量的碳材料催化剂，具有较高的过氧化氢选择性(0.68v vs.rhe，96.2％)。且在flew cell中连续施加电压近120小时后，电流密度保持稳定在约20ma·cm-2。

21、(3)本发明所制备的碳材料催化剂，具有较高的c-o-c官能团含量，同时亲水性优良。

22、(4)本发明使用简单的含氧前驱体，通过溶剂热/水热法一步制得高c-o-c官能团含量的碳材料催化剂，该方法简单环保，避免了环境污染。

技术特征：

1.一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，将第一含氧前驱体和第二含氧前驱体分散于溶剂中，超声处理后进行水热反应，依次按冷却、抽滤、旋转蒸发、透析、冷冻干燥，得到功能化碳材料催化剂，即目标产物。

2.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述第一含氧前驱体包括邻羟基苯甲酸、间羟基苯甲酸、对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、间苯二甲酸、对苯二甲酸，所述第二含氧前驱体包括邻苯二酚、间苯二酚、对苯二酚。

3.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述第一含氧前驱体和第二含氧前驱体的质量比为1：(0.33～2)。

4.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述溶剂包括四氢呋喃、无水乙醇、去离子水、甲醇、丙酮。

5.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述含氧前驱体在溶剂中的浓度为5～50mg/ml。

6.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述水热反应的温度为150～230℃。

7.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述旋转蒸发的温度为50～60℃。

8.根据权利要求1所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂的制备方法，其特征在于，所述冷冻干燥的温度为-30～-20℃。

9.一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂，其采用如权利要求1～8任一所述的制备方法制备得到。

10.如权利要求9所述的一种富含c-o-c官能团功能化碳材料催化剂在电催化产过氧化氢领域的应用。

技术总结本发明涉及一种富含C‑O‑C官能团功能化碳材料催化剂及制备方法与应用，将含氧前驱体分散于溶剂中，超声处理后进行水热反应，依次按冷却、抽滤、旋转蒸发、透析、冷冻干燥，得到功能化碳材料催化剂，即目标产物。与现有技术相比，本发明的功能化碳材料催化剂应用于电催化过氧化氢中，具有较高的选择性，且该制备方法简单、经济环保。技术研发人员：王亮,谢乐萍,郭华章,王康,倪钱佳受保护的技术使用者：上海大学技术研发日：技术公布日：2024/4/22