(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211178693.4 (22)申请日 2022.09.27 (71)申请人 四川轻化工大 学 地址 643000 四川省自贡 市汇东学 苑街180 号 申请人 四川卡本新材 料有限公司 (72)发明人 雷英　岳斌　林亮　谢华明　杨倩　 刘茜沅　 (74)专利代理 机构 成都九鼎天元知识产权代理 有限公司 51214 专利代理师 吕玲 (51)Int.Cl. C25B 11/091(2021.01) C25B 1/30(2006.01) G01N 27/416(2006.01)G01N 27/406(2006.01) B82Y 40/00(2011.01) (54)发明名称 一种电催化合成过氧化氢的镍氮掺杂碳材 料及其制备方法 (57)摘要 本发明为一种电催化合成过氧化氢的镍氮 掺杂碳材料及其制备方法。 该方法包括以下步 骤： 以炭黑为原材料， 先经过浓酸氧化炭黑， 赋予 炭黑一定的含氧官能团； 再进行水热化合， 利用 特定的有机配体， 在氧化炭黑上合成特定配位结 构的金属中心镍 ‑有机配位化合物； 最后通过低 温碳化， 以制备得到特定键合的镍氮共掺杂的改 性碳黑。 该合成方法全 过程并不需要多步高温处 理， 也不涉及繁琐的后续处理步骤， 大大简化了 工艺路线， 降低了成本且具有极强的普适性； 制 备的非贵金属碳基材料表现出高效的过氧化氢 选择性， 以及有效克服了均相催化剂 的缺点； 同 时， 为设计具有定制结构 的材料提供了新思路， 表现出巨大的潜在的实用价 值。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115505957 A 2022.12.23 CN 115505957 A 1.一种电催化合成过氧化氢的镍氮共掺杂碳材料， 其特征在于： 该材料以商用炭黑为 原材料， 先经过浓酸氧化炭黑， 赋予炭黑一定的含氧官能团； 再加入 特定的有机配体和六水 硝酸镍进行水热反应， 利用在氧化炭黑上合成特定配位结构的金属中心镍 ‑有机配位化合 物； 最后通过低温碳 化， 制备得到特定 键合的镍氮共掺杂碳材 料。 2.如权利要求1所述的镍氮共掺杂碳材料， 其特征在于， 所述的浓酸为浓硫酸、 浓硝酸 或其混合物， 浓酸的浓度为3 ‑8mol L‑1， 炭黑的质量g与浓酸溶液的体积ml的比例关系为1: 10～100； 所述的特定有机配 体为2,5‑吡啶羧酸。 3.如权利要求2所述的镍氮共掺杂碳材料， 其特征在于， 所述水热反应的条件为： 150℃ ～220℃下水热反应6～12h； 低温碳 化的温度为280～40 0℃， 时间为1～3 h。 4.如权利要求1 ‑3中任意一项权利要求所述镍氮共掺杂碳材料的制备方法， 其特征在 于包括以下步骤： 1)氧化炭黑的制备将原料炭黑分散于浓酸溶液中； 然后转移至水热反应釜中进行水热 反应； 待反应釜冷却至 室温， 通过离心收集黑色沉淀， 并在60～100℃下真空干燥过夜， 得到 氧化炭黑； 2)水热前驱产物的制备称取步骤1)制备的氧化炭黑于反应釜中， 并加入去离子水进行 超声分散； 然后将2,5 ‑吡啶羧酸加入反应釜中并进 行搅拌0.5～2h； 再将一定量的六水硝酸 镍加入反应釜中并搅拌30 ±5min； 最后在150℃～220℃的温度条件下恒温水热6 ‑12h后将 反应釜冷却； 待反应釜冷却至室温， 通过离心收集产物， 得到N i‑PDCH@OCB水热前驱产物； 3)一步低温碳化处理将步骤2)得到的水热前驱产物置于玛瑙研钵中物 理研磨均匀， 并 盛放于陶瓷坩埚中， 在氮气保护下， 于管式炉中， 按1～5℃min‑1的升温速率升温， 于280～ 400℃的条件 下恒温1～3h后进 行自然冷却， 待 管式炉自然冷却至 室温， 取出碳化产物， 进而 分别得到N i‑PDCH@OCB。 5.如权利要求4所述的制备方法， 其特征在于： 步骤1)中水热反应的条件为： 100℃～ 150℃下水热反应12 ～24h。 6.如权利要求4所述的制备方法， 其特征在于： 步骤2)中， 氧化炭黑的质量g与去离子水 的体积mL的比例关系为1： 50～100； 超声分散 条件为， 100～800Hz， 时间2～3h； 氧化炭 黑、 2, 5‑吡啶羧酸与六水硝酸镍的质量比为0.0 3～0.1： 0.1 1～0.33： 0.015～0.15 。 7.利用如权利要求4所述制备方法得到的镍氮共掺杂碳材料制备电极的方法， 其特征 在于包括以下步骤： 对于RRDE工作电极， 称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、 乙醇和Nafion溶 液的PVC管中， 超声后得到均匀的分散液， 将分散液均匀滴涂在RRDE上， 待自然干燥 成膜， 即 得电极； 该电极用于 定性分析催化 合成过氧化氢性能； 或称取一定量的镍氮共掺杂碳材料分散在含有水、 乙醇和N afion溶液的PVC管中， 超声 后得到均匀的分散液， 多次少量且全部滴涂分散液在1 ×1cm‑2的碳纸上， 待自然干燥成膜， 即得电极； 该电极用于 定量分析催化 合成过氧化氢性能。 8.利用权利要求7 所述电极进行电化学性能测试的方法， 其特 征在于包括以下步骤： S1:定性分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进 行， 测试系统为标准的三电极体系， 其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液的RRDE电 极为工作电极， 以铂丝为对电极， 以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极， 0.1mol  L‑1KOH溶液为权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115505957 A 2电解液； S2:定量分析催化合成过氧化氢性能电化学性能测试均在AUTOLAB电化学工作站上进 行， 测试系统为标准的三电极体系， 其中电化学测试过程以滴涂活性物质分散液 的碳纸为 工作电极， 以铂丝为对电极， 以饱和Ag/AgCl电极作为参比电极， 0.1mol  L‑1KOH溶液为电解 液； 并且采用H‑型电池测试模型进行 过氧化氢定量测试。 9.如权利要求4所述方法得到的镍氮共掺杂碳材料， 其特征在于： 该材料为纳米级的碳 球， 且表现出良好的石墨化晶格条纹， 无明显金属元素特征峰， 具有较大的盘电流和环电流 密度， 过氧化氢生成产率可达95％； 具有高电流密度、 高过氧化氢生成产率的双重优势， 具 有优异的使用寿命。 10.如权利要求5所述方法得到的镍氮共掺杂碳材料， 其特征在于： 在H ‑型电池模型中 进行三电极测试， 在长达8h的电催化合成过程中， 过氧化氢生产量保持一个大的线性增长 趋势； 且在8h后， 过 氧化氢生成量可达 31.2mmol L‑1。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115505957 A 3