CN105810963A - 一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用 - Google Patents

一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种过渡金属‑氮‑碳基电催化剂的制备方法及应用，该制备方法包括以下步骤：将生物质烘干并研磨成生物质粉末；将所述生物质粉末与去离子水混合，并在180℃下保温10小时；然后冷却至室温，采用膜孔径为0.22μm的滤膜过滤2遍，再以14000转离心20分钟，从而制得氮掺杂碳量子点溶液；采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述的氮掺杂碳量子点溶液进行聚合，从而制得聚合产物；在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧，从而制得过渡金属‑氮‑碳基电催化剂。本发明不仅制备工艺简单、成本低廉，而且所制备出的电催化剂具有优异的电催化性能。

Description

一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用
技术领域
本发明涉及电催化剂领域，尤其涉及一种过渡金属-氮-碳基电催化剂(即过渡金属、氮共掺杂的石墨化碳基电催化剂)的制备方法及应用。
背景技术
电催化剂是电化学能源转换、电合成、环境电化学监测治理等重要领域的核心。在电解水领域中，电催化剂的优劣直接决定了电解水所需要的过电压以及电能转换为氢能的转化效率。在燃料电池、金属-空气电池等可持续能源领域中，阳极上氧析出反应的电催化剂是二次电池充电过程的决定因素，而阴极上氧还原反应的电催化剂直接决定了能量转化效率及电池成本的高低。
目前，使用最为广泛的氧还原电催化剂是贵金属铂或铂的合金，但由于铂的价格太过昂贵，因此减少或替换铂的使用，研制高催化性能、低成本的电催化剂一直是电化学领域的关注焦点。经研究发现：很多氮掺杂碳材料及其复合物都具有良好的电子传导能力、较大的比表面积、合理的孔结构以及优异的抗腐蚀性能，十分适合用作氧还原电催化剂；但是在现有技术中，这些材料的制备过程需要依赖价格昂贵的工业化学试剂，而且容易产生环境污染。
发明内容
针对现有技术中的上述不足之处，本发明提供了一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用，不仅制备工艺简单、成本低廉，而且所制备出的电催化剂具有优异的电催化性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤A、将生物质烘干并研磨成生物质粉末；将所述生物质粉末与去离子水混合，并在100～220℃下保温5～20小时；然后冷却至室温，采用滤膜过滤1～5遍，再以8000-14000转离心，从而制得氮掺杂碳量子点溶液；其中，所述生物质粉末与去离子水的混合比例为：每100mL去离子水中使用5g～50g生物质粉末；
步骤B、采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述的氮掺杂碳量子点溶液进行聚合，从而制得聚合产物；
步骤C、在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂。
优选地，采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述氮掺杂碳量子点溶液进行聚合包括：
按照每3L吡咯使用25mol三价铁离子、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、三价铁离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并搅拌4～6小时，然后离心洗涤并干燥，从而制得聚合产物；或者，
按照每3L吡咯使用25mol二价过渡金属离子、10～30L的溶质质量分数为30％的过氧化氢溶液、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、二价过渡金属离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并加入酸将pH值调节为2，然后加入过氧化氢溶液，搅拌4～6小时，再离心洗涤并干燥，从而制得聚合产物。
优选地，所述的二价过渡金属离子为Fe2+、Co2+或Ni2+中的一种或多种。
优选地，所述的在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧包括：在保护气氛中，对所述聚合产物进行加热，直至温度达到600～1200℃，然后以600～1200℃煅烧2～3小时，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法先将廉价的生物质转化为氮掺杂碳量子点作为碳源，然后用吡咯聚合氮掺杂碳量子点和过渡金属离子，再通过高温煅烧即可制得具有优异电催化性能的过渡金属-氮-碳基电催化剂，因此本发明实施例所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法成本低廉、制备工艺简单。本发明所制得的过渡金属-氮-碳基电催化剂可以在电化学氧还原反应、氧析出反应或氢析出反应中作为电催化剂使用，十分适合应用到金属-空气电池、可充放电金属-空气电池、燃料电池、电解水等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例1的步骤A1所制得的氮掺杂碳量子点溶液的高分辨投射电镜照片及尺寸分布图。
图2为本发明实施例1的步骤B1所制得的黑色聚合产物的场发射扫描电镜图片。
图3为本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的透射电镜图片一。
图4为本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的透射电镜图片二。
图5为本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的氮气等温吸附-脱附曲线示意图。
图6为本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的孔径分布示意图。
图7为本发明实施例1的步骤C1在不同煅烧温度下所制得的钴-氮-碳基电催化剂的X-射线衍射图谱(XRD图谱)。
图8为本发明实施例1的步骤C1在不同煅烧温度下所制得的钴-氮-碳基电催化剂与铂碳或氧化钌的电催化性能对比图。
图9a为分别将本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂以及铂碳催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，从而得到的开路电压对比图。
图9b为分别将本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂以及铂碳催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，从而得到的放电电压电流极化曲线及功率密度曲线对比图。
图9c为分别将本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂以及铂碳-氧化钌催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，得到的充放电电压电流极化曲线对比图。
图9d为分别将本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并在充放电电流为10mA/cm2时测得的循环充放电稳定性示意图。
图10为本发明实施例2的步骤C2在煅烧温度为900℃下所制得的铁-氮-碳基电催化剂的场发射扫描电镜图片和透射电镜图片。
图11为本发明实施例2的步骤C2在煅烧温度为800℃下所制得的铁-氮-碳基电催化剂的场发射扫描电镜图片和透射电镜图片。
图12为本发明实施例2的步骤C2在煅烧温度为700℃下所制得的铁-氮-碳基电催化剂的场发射扫描电镜图片和透射电镜图片。
图13为本发明实施例2的步骤C2在煅烧温度为600℃下所制得的铁-氮-碳基电催化剂的场发射扫描电镜图片和透射电镜图片。
图14a为分别将本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂以及铂碳催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，从而得到的开路电压对比图。
图14b为分别将本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂以及铂碳催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行放电性能测试，从而得到的恒流放电测试对比图。
图14c为分别将本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂以及铂碳催化剂组装到可充电的锌-空气电池中并进行放电性能测试，从而得到的放电电压电流极化曲线对比图。
图14d为分别将本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂以及铂碳组装到可充电的锌-空气电池中并进行放电性能测试，从而得到的长时间放电稳定性与该锌-空气电池的比能量对比图。
图15为本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂的EDS(EnergyDispersive Spectrometer)能谱图。
图16为本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂的EDS-mapping图(元素能量分布面扫描分析图)。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面对本发明所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用进行详细描述。
一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法，包括以下步骤：
步骤A、将生物质烘干并研磨成生物质粉末；将所述生物质粉末与去离子水混合，并在100℃～220℃下保温5～20小时；然后冷却至室温，采用滤膜过滤1～5遍，再以8000-14000转离心，从而制得氮掺杂碳量子点溶液。具体地，所述生物质粉末与去离子水的混合比例为：每100mL去离子水中使用5g～50g生物质粉末；所述的生物质可以采用虾壳、树木、杂草、植物秸秆等生物质，由于这些生物质中不仅含有丰富的碳元素，而且还含有大量氮元素，因此该步骤所制得的碳量子点溶液中掺杂有氮，这十分有利于本发明最终合成过渡金属-氮-碳基电催化剂。
步骤B、采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述的氮掺杂碳量子点溶液进行聚合，从而制得聚合产物。具体地，所述的过渡金属离子溶液为Fe3+溶液、Fe2+溶液、Co2+溶液或Ni2+溶液；该步骤B可以采用以下两种实施方案中的一种：
(1)按照每3L吡咯使用25mol三价铁离子、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、三价铁离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并搅拌4～6小时，然后离心洗涤并干燥，从而制得黑色的聚合产物；该聚合产物为彼此相连的实心微球，并且这些实心微球的直径分布在100～300nm之间。其中，所述的三价铁离子溶液可以采用三氯化铁溶液、硝酸铁溶液或硫酸铁溶液，并且该三价铁离子溶液的浓度最好为0.1mol/L。
(2)按照每3L吡咯使用25mol二价过渡金属离子、10～30L的溶质质量分数为30％的过氧化氢溶液、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、二价过渡金属离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并加入酸(例如：盐酸、硝酸或硫酸)将pH值调节为1～3，然后加入过氧化氢溶液，搅拌4～6小时，再离心洗涤并干燥，从而制得黑色的聚合产物；该聚合产物为彼此相连的实心微球，并且这些实心微球的直径分布在100～300nm之间。其中，所述的二价过渡金属离子为Fe2+、Co2+或Ni2+中的一种或多种，因而所述的二价过渡金属离子溶液可以采用氯化亚铁、硫酸亚铁、氯化钴、硝酸钴、氯化镍或硝酸镍中的一种或多种，并且该二价过渡金属离子溶液的浓度最好为0.1mol/L。
步骤C、在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂(即过渡金属、氮共掺杂的石墨化碳基电催化剂)。具体地，在保护气氛中(即在氮气或氩气的保护环境下)，对所述聚合产物进行加热，直至温度达到600～1200℃，然后以600～1200℃煅烧2～3小时，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂。
进一步地，按照本发明所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法所制备出的过渡金属-氮-碳基电催化剂，其形貌表现为过渡金属或其氧化物颗粒负载于过渡金属与氮共掺杂的石墨化碳材料，并且具有较大的比表面积和孔结构，因此该过渡金属-氮-碳基电催化剂能够表现出优异的电催化性能。本发明所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法通过使用不同的过渡金属可以制得性能多样的碳基电催化剂，例如：如果过渡金属采用铁离子，那么所制得的铁-氮-碳基电催化剂可以作为高效的氧还原碳基电催化剂；如果过渡金属采用钴离子，那么所制得的钴-氮-碳基电催化剂可以作为高效的具有氧还原、氧析出及氢析出能力的碳基电催化剂；因此本发明所制得的过渡金属-氮-碳基电催化剂可以在电化学氧还原反应、氧析出反应或氢析出反应中作为电催化剂使用，十分适合应用到金属-空气电池、可充放电金属-空气电池、燃料电池、电解水等领域。
综上可见，本发明所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法以廉价的生物质作为碳，成本相对低廉、制备工艺简单，而且所制备出的过渡金属-氮-碳基电催化剂具有优异的电催化性能。
为了更加清晰地展现出本发明所提供的技术方案及所产生的技术效果，下面以具体实施例对本发明所提供的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法及应用进行详细描述。
实施例1
一种过渡金属-氮-碳基电催化剂，采用以下步骤制备而成：
步骤A1、将虾壳烘干并研磨成虾壳粉末；取30g虾壳粉末和300mL去离子水加入到500mL的聚四氟反应釜中，搅拌混合并在180℃下保温10小时；然后冷却至室温，采用膜孔径为0.22μm的滤膜过滤2遍，再以14000转离心20分钟，从而制得氮掺杂碳量子点溶液。
步骤B1、将0.6mL的吡咯、50mL的0.1mol/L二价钴离子溶液(即0.005mol的二价钴离子)、20mL的步骤A1所制得的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并加入溶质质量分数为36％盐酸(硝酸或硫酸)将pH值调节为1～3，然后加入4mL的溶质质量分数为30％的过氧化氢溶液，搅拌4～6小时，再离心洗涤并干燥，从而制得黑色聚合产物。
步骤C1、在氮气保护环境下，将步骤B1所制得的聚合产物置于管式炉中，并按照每分钟升温5℃的速率进行加热，直至温度达到600～1000℃，然后以600～1000℃煅烧2～3小时，从而制得钴-氮-碳基电催化剂(即钴、氮共掺杂的石墨化碳基电催化剂)。
具体地，在采用本发明实施例1制备钴-氮-碳基电催化剂的过程中进行检测，从而得到以下检测结果：
(1)采用高分辨透射电镜(TEM,JEOL 2010)对本发明实施例1的步骤A1所制得的氮掺杂碳量子点溶液进行观察和拍摄，从而得到的如图1所示的高分辨投射电镜照片及尺寸分布图。由图1可以看出：本发明实施例1的步骤A1所制得的碳量子点尺寸分布在1.5～5.5nm之间。
(2)采用场发射扫描电镜(FESEM,Quanta 200FEG)对本发明实施例1的步骤B1所制得的黑色聚合产物进行观察拍摄，从而得到的如图2所示的场发射扫描电镜图片。由图2可以看出：该黑色聚合产物的形貌为微球状，尺寸分布在100～300nm。
(3)采用高分辨透射电镜(TEM,JEOL 2010)对本发明实施例1的步骤C1最终制得的钴-氮-碳基电催化剂进行观察和拍摄，从而得到的如图3和图4所示的场发射扫描电镜图片。由图3和图4可以看出：该钴-氮-碳基电催化剂中包含有钴/氧化钴微纳米颗粒及石墨化结构的碳。
(4)采用比表面积与孔径分布测试仪器(Tristar3020M)对本发明实施例1的步骤C1最终制得的钴-氮-碳基电催化剂的比表面积性能进行测量，从而得到的如图5所示的氮气等温吸附-脱附曲线示意图。由图5可以看出：该钴-氮-碳基电催化剂的比表面积为647.7m2/g。
(5)采用比表面积与孔径分布测试仪器(Tristar3020M)对本发明实施例1的步骤C1最终制得的钴-氮-碳基电催化剂的孔径分布进行观察测量，从而得到的如图6所示的孔径分布图。由图6可以看出：该钴-氮-碳基电催化剂的孔径分布在1.5～2nm之间。
(6)采用X-射线衍射仪(Philips X’pert PRO)对本发明实施例1的步骤C1分别以700℃、800℃、900℃、1000℃的煅烧温度所制得的钴-氮-碳基电催化剂进行测试，从而得到如图7所示的XRD图谱；其中，图7的纵坐标为相对强度，图7的横坐标为2θ(即衍射角，其单位为度)。由图7可以看出：钴离子先转化为钴氧化物，再向零价钴转化。
(7)对本发明实施例1的步骤C1分别以700℃、800℃、900℃、1000℃的煅烧温度所制得的钴-氮-碳基电催化剂以及铂碳或氧化钌进行电催化性能测试，从而得到如图8所示的电催化性能对比图。其中，图8a为在0.1mol/L的KOH溶液中以10mV/S扫描速率分别对铂碳及煅烧温度为700℃、800℃、900℃、1000℃的钴-氮-碳基电催化剂进行氧还原性能线性扫描从而得到的氧还原性能对比图，其横坐标表示电压(单位为V)，其纵坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)；图8b为在0.1mol/L的KOH溶液中以5mV/S扫描速率分别对氧化钌及煅烧温度为700℃、800℃、900℃、1000℃的钴-氮-碳基电催化剂进行氧析出性能线性扫描从而得到的氧析出性能对比图，其横坐标表示电压(单位为V)，其纵坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)；图8c为在0.1mol/L的KOH溶液中以5mV/S扫描速率分别对铂碳及煅烧温度为700℃、800℃、900℃、1000℃的钴-氮-碳基电催化剂进行氢析出性能线性扫描从而得到的氢析出性能对比图，其横坐标表示电压(单位为V)，其纵坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)。由图8可以看出：与现有技术中的铂碳和氧化钌相比，本发明实施例1所制得的钴-氮-碳基电催化剂在氧还原反应、氧析出反应和氢析出反应中都表现出了优异的电催化性能。
(8)分别将本发明实施例1的步骤C1所制得的钴-氮-碳基电催化剂以及铂碳组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，从而得到如图9所示的充放电性能对比图。其中，图9a为这两种锌-空气电池的开路电压对比图，其横坐标表示时间(单位为分钟)，其纵坐标表示开路电压(单位为V)；图9b为这两种锌-空气电池的放电电压电流极化曲线及功率密度曲线对比图，其横坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)，其左侧纵坐标表示电压(单位为V)，其右侧纵坐标表示功率密度(单位为mW/cm2)；图9c为这两种锌-空气电池的充电电压电流极化曲线对比图，其横坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)，其纵坐标表示电压(单位为V)；图9d为采用本发明实施例1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池在充放电电流为10mA/cm2时的循环充放电稳定性示意图，其横坐标表示时间(单位为小时)，其纵坐标表示电压(单位为V)。由图9可以看出：采用本发明实施例1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池，其开路电压为1.4V、其放电功率密度最高可达157mW/cm2、其起始充电电压为1.92V、其起始放电电压为1.25V；在100次循环充放电测试后，该锌-空气电池的起始充电电压为2.05V、其起始放电电压为1.19V；显然，采用本发明实施例1所制得的钴-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池表现出了优良的电池性能。
实施例2
一种过渡金属-氮-碳基电催化剂，采用以下步骤制备而成：
步骤A2、将虾壳烘干并研磨成虾壳粉末；取30g虾壳粉末和300mL去离子水加入到500mL的聚四氟反应釜中，搅拌混合并在180℃下保温10小时；然后冷却至室温，采用膜孔径为0.22μm的滤膜过滤2遍，再以14000转离心20分钟，从而制得氮掺杂碳量子点溶液。
步骤B2、将0.6mL的吡咯、50mL的0.1mol/L三价铁离子溶液(即0.005mol的三价铁离子)、20mL的步骤A2所制得的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，搅拌4～6小时，再离心洗涤并干燥，从而制得黑色聚合产物。
步骤C2、在氮气保护环境下，将步骤B2所制得的聚合产物置于管式炉中，并按照每分钟升温5℃的速率进行加热，直至温度达到600～900℃，然后以600～900℃煅烧2～3小时，从而制得铁-氮-碳基电催化剂(即铁、氮共掺杂的石墨化碳基电催化剂)。
具体地，在采用本发明实施例2制备铁-氮-碳基电催化剂的过程中进行检测，从而得到以下检测结果：
(1)采用场发射扫描电镜(FESEM,Quanta 200FEG)和高分辨透射电镜(TEM,JEOL 2010)分别对本发明实施例2的步骤C2在煅烧温度为900℃、800℃、700℃、600℃下所制得的铁-氮-碳基电催化剂进行观察和拍摄，从而得到的如图10、图11、图12、图13所示的场发射扫描电镜图片和透射电镜图片。由图10、图11、图12和图13可以看出：本发明实施例2在不同煅烧温度下制得的铁-氮-碳基电催化剂中均包含有四氧化三铁微纳米颗粒及石墨化结构的碳。
(2)分别将本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂以及铂碳组装到可充电的锌-空气电池中并进行充放电性能测试，从而得到如图14所示的充放电性能对比图。其中，图14a为这两种锌-空气电池的开路电压对比图，其横坐标表示时间(单位为分钟)，其纵坐标表示开路电压(单位为V)；图14b为这两种锌-空气电池的恒流放电测试对比图，其横坐标表示时间(单位为分钟)，其纵坐标表示电压(单位为V)；图14c为这两种锌-空气电池的放电电压电流极化曲线对比图，其横坐标表示电流密度(单位为mA/cm2)，其左侧纵坐标表示电压(单位为V)，其右侧纵坐标表示功率密度(单位为mW/cm2)；图14d为采用本发明实施例2所制得的铁-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池的长时间放电稳定性与该锌-空气电池的比能量对比图，其横坐标表示比容量(单位为mA h/g)，其纵坐标表示电压(单位为V)。由图14可以看出：采用本发明实施例2所制得的铁-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池，其开路电压为1.45V、其放电功率密度最高可达112mW/cm2、其比能量达到596mAh/g；显然，采用本发明实施例2所制得的铁-氮-碳基电催化剂的锌-空气电池表现出了优良的电池性能。
(3)采用高分辨透射电镜(TEM,JEOL 2010)和能谱仪(EDS Oxford,Link ISIS)对本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂进行测量，从而得到的如图15所示的EDS能谱分析图。由图15可以看出：该铁-氮-碳基电催化剂中包含铁元素和氮元素，这说明铁、氮共掺杂到石墨化碳结构中。
(4)采用高分辨透射电镜(TEM,JEOL 2010)和能谱仪(EDS Oxford,Link ISIS)对本发明实施例2的步骤C2所制得的铁-氮-碳基电催化剂进行测量，从而得到的如图16所示的元素能量分布面扫描分析图。结合图15和图16可以看出：在石墨化结构的碳层中包含有铁和氮元素，这说明铁、氮共掺杂到石墨化碳结构中。
综上可见，本发明实施例不仅制备工艺简单、成本低廉，而且所制备出的电催化剂具有优异的电催化性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A、将生物质烘干并研磨成生物质粉末；将所述生物质粉末与去离子水混合，并在100～220℃下保温5～20小时；然后冷却至室温，采用滤膜过滤1～5遍，再以8000-14000转离心，从而制得氮掺杂碳量子点溶液；其中，所述生物质粉末与去离子水的混合比例为：每100mL去离子水中使用5g～50g生物质粉末；
步骤B、采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述的氮掺杂碳量子点溶液进行聚合，从而制得聚合产物；
步骤C、在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的采用吡咯对过渡金属离子溶液和所述的氮掺杂碳量子点溶液进行聚合包括：
按照每3L吡咯使用25mol三价铁离子、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、三价铁离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并搅拌4～6小时，然后离心洗涤并干燥，从而制得聚合产物；
或者，
按照每3L吡咯使用25mol二价过渡金属离子、10～30L的溶质质量分数为30％的过氧化氢溶液、50～200L所述的氮掺杂碳量子点溶液的比例，将吡咯、二价过渡金属离子溶液、所述的氮掺杂碳量子点溶液混合在一起，并加入酸将pH值调节为2，然后加入过氧化氢溶液，搅拌4～6小时，再离心洗涤并干燥，从而制得聚合产物。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的二价过渡金属离子为Fe2+、Co2+或Ni2+中的一种或多种。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述的在保护气氛中对所述聚合产物进行高温煅烧包括：在保护气氛中，对所述聚合产物进行加热，直至温度达到600～1200℃，然后以600～1200℃煅烧2～3小时，从而制得过渡金属-氮-碳基电催化剂。
5.一种过渡金属-氮-碳基电催化剂，其特征在于，采用权利要求1至4中任一项所述的过渡金属-氮-碳基电催化剂的制备方法制备而成。
6.权利要求5中所述的过渡金属-氮-碳基电催化剂在电化学氧还原反应、氧析出反应或氢析出反应中的应用。
7.权利要求5中所述的过渡金属-氮-碳基电催化剂在电解水领域的应用。
8.权利要求5中所述的过渡金属-氮-碳基电催化剂在燃料电池领域的应用。
9.权利要求5中所述的过渡金属-氮-碳基电催化剂在金属-空气电池领域的应用。
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