[發明專利]過渡金屬和氮共摻雜的多級孔道三維石墨烯的制備

有效

• 申請號: 201611236544.3
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106744850B
• 公開（公告）日: 2019-07-23
• 發明（設計）人: 李忠芳;王素文;張廷尉;盧雪偉
• 申請（專利權）人: 山東理工大學
• 主分類號: C01B32/184
• 分類號: C01B32/184;C08G73/18
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

發明了一種制備過渡金屬和氮共摻雜的多級孔道三維石墨烯的制備方法。可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）為碳源和氮源，過渡金屬鹽與PBI溶液反應得到PBI與過渡金屬離子形成的配合物，混合液中加入納米碳酸鈣做模板劑，混合均勻、濃縮、使配合物在模板劑表面涂飾并規則排列，熱解、去除模板劑，得到過渡金屬和氮共摻雜的多級孔道結構的三維石墨烯，多級貫通的孔道可以強化傳質。PBI粘均分子量在2~4萬；PBI與過渡金屬鹽的質量比為1:2~2:1；模板劑為碳酸鈣，粒徑30~100 nm；PBI與模板劑質量比為2:1~1:4；熱解溫度為800℃~1100℃。產品可用于氧化還原反應催化劑、燃料電池、金屬空氣電池氧還原催化劑、電解水氧析出催化劑、超級電容器等領域。

技術領域

屬于納米材料制備領域，用于化工生產中的氧化還原反應催化劑，清潔能源領域的燃料電池、金屬空氣電池的陰極催化劑，電解水催化劑，鋰離子電池材料，超級電容器電極材料和電化學傳感器等領域。

背景技術

雖然二維石墨烯具有優異的性能和多種潛在的應用，然而，二維石墨烯之間又極易層-層相互疊加形成石墨結構，從而使其優異的性能喪失。因此，三維石墨烯的制備及性能研究成為當今納米材料領域的研究熱點。研究發現，氮摻雜的石墨烯由于石墨烯分子內C-N鍵間的極性，使石墨烯分子上的電子云密度發生變化，因此氮摻雜石墨烯催化氧還原等性能優于石墨烯。

通過摻雜金屬有助于活性位的增加，金屬與氮的協同作用進一步提高了其催化性能，增強催化活性和提高穩定性（Zhao Y, et al. J Am Chem Soc(美國化學會志)，2012,134: 19528）。因此金屬-氮-碳原子簇（M-N-C）研究受到重視，研究表明，石墨烯中摻雜氮和過渡金屬（如鐵，鈷等）后，會形成更多的活性位點，從而會進一步提高產品催化氧還原催化活性。特別是形成三維結構的過渡金屬和氮共摻雜的催化劑，能更好地保持其二維片層結構而不發生疊加和聚集，其催化活性位更多，并且多孔結構有利于強化物質的傳遞。由于其獨特的優點，該類材料被認為是最具發展潛力氧還原催化劑之一，受到人們的廣泛重視（Jaouen F, et al. Energy Environ Sci(能源環境科學)，2011, 4, 114?130）。在M-N-C催化劑中，金屬摻雜氮元素可以是鐵摻雜（Lin L, et al. ACS Catal (美國化學會-催化)，2016, 6: 4449）、鈷摻雜（Gao J, et al. Ind. Eng. Chem. Res(化學工業和工程研究), 2015, 54: 7984）和鐵鈷共摻雜（Li S, et al. Electrochim. Acta(電化學學報)，2010,55: 7346）過渡金屬和氮共摻雜的石墨烯具有廣泛用途，可用作氧還原催化劑（JiangH L, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces（美國化學會-應用材料與界面）, 2015, 7(38): 21511）。在傳感器、超級電容器和鋰離子電池等領域（Salavagione H J, et al. J.Mater. Chem. A(材料化學雜志A), 2014, 2: 14289）的應用均有文獻報道。金屬、氮摻雜的石墨烯制備方法有很多：如，高溫熱解過渡大環配合物（Osmieri L, et al. Int JHydrogen Energ(國際氫能雜志)，2016, 41: 22570）；熱處理含氮有機化合物（如乙二胺、吡啶等）與過渡金屬鹽得到M-N-C原子簇（Lefe?vre M, et al. Science(科學) 2009, 324:71）；用三聚氰胺和金屬鐵鹽通過高溫熱解制備Fe-N-C原子簇催化劑（Lai Q X, et al.ACS Appl. Mater. Interfaces(美國化學會-應用材料界面), 2015, 7: 18170），也有用聚吡咯和金屬鐵鹽通過高溫熱解制備Fe-N-C原子簇催化劑（Zheng Y P, et al. NanoEnergy(納米能源), 2016, 30: 433）；用聚苯胺結合鐵和鈷的熱處理制備一類M/N/C催化劑(Wu G, et al. Science(科學), 2011, 332: 443)等等。