[發(fā)明專(zhuān)利]過(guò)渡金屬和氮共摻雜的多級(jí)孔道三維石墨烯的制備

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201611236544.3
• 申請(qǐng)日: 2016-12-28
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106744850B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-07-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李忠芳;王素文;張廷尉;盧雪偉
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C01B32/184
• 分類(lèi)號(hào): C01B32/184;C08G73/18
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

發(fā)明了一種制備過(guò)渡金屬和氮共摻雜的多級(jí)孔道三維石墨烯的制備方法?？扇苄缘娜枷阈缘木郾讲⑦溥颍≒BI）為碳源和氮源，過(guò)渡金屬鹽與PBI溶液反應(yīng)得到PBI與過(guò)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(guī)則排列，熱解、去除模板劑，得到過(guò)渡金屬和氮共摻雜的多級(jí)孔道結(jié)構(gòu)的三維石墨烯，多級(jí)貫通的孔道可以強(qiáng)化傳質(zhì)。PBI粘均分子量在2~4萬(wàn)；PBI與過(guò)渡金屬鹽的質(zhì)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(zhì)量比為2:1~1:4；熱解溫度為800℃~1100℃。產(chǎn)品可用于氧化還原反應(yīng)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(jí)電容器等領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域

屬于納米材料制備領(lǐng)域，用于化工生產(chǎn)中的氧化還原反應(yīng)催化劑，清潔能源領(lǐng)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(jí)電容器電極材料和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

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

通過(guò)摻雜金屬有助于活性位的增加，金屬與氮的協(xié)同作用進(jìn)一步提高了其催化性能，增強(qiáng)催化活性和提高穩(wěn)定性（Zhao Y, et al. J Am Chem Soc(美國(guó)化學(xué)會(huì)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(guò)渡金屬（如鐵，鈷等）后，會(huì)形成更多的活性位點(diǎn)，從而會(huì)進(jìn)一步提高產(chǎn)品催化氧還原催化活性。特別是形成三維結(jié)構(gòu)的過(guò)渡金屬和氮共摻雜的催化劑，能更好地保持其二維片層結(jié)構(gòu)而不發(fā)生疊加和聚集，其催化活性位更多，并且多孔結(jié)構(gòu)有利于強(qiáng)化物質(zhì)的傳遞。由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，該類(lèi)材料被認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿ρ踹€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(huán)境科學(xué))，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(guó)化學(xué)會(huì)-催化)，2016, 6: 4449）、鈷摻雜（Gao J, et al. Ind. Eng. Chem. Res(化學(xué)工業(yè)和工程研究), 2015, 54: 7984）和鐵鈷共摻雜（Li S, et al. Electrochim. Acta(電化學(xué)學(xué)報(bào))，2010,55: 7346）過(guò)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(guó)化學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料與界面）, 2015, 7(38): 21511）。在傳感器、超級(jí)電容器和鋰離子電池等領(lǐng)域（Salavagione H J, et al. J.Mater. Chem. A(材料化學(xué)雜志A), 2014, 2: 14289）的應(yīng)用均有文獻(xiàn)報(bào)道。金屬、氮摻雜的石墨烯制備方法有很多：如，高溫?zé)峤膺^(guò)渡大環(huán)配合物（Osmieri L, et al. Int JHydrogen Energ(國(guó)際氫能雜志)，2016, 41: 22570）；熱處理含氮有機(jī)化合物（如乙二胺、吡啶等）與過(guò)渡金屬鹽得到M-N-C原子簇（Lefe?vre M, et al. Science(科學(xué)) 2009, 324:71）；用三聚氰胺和金屬鐵鹽通過(guò)高溫?zé)峤庵苽銯e-N-C原子簇催化劑（Lai Q X, et al.ACS Appl. Mater. Interfaces(美國(guó)化學(xué)會(huì)-應(yīng)用材料界面), 2015, 7: 18170），也有用聚吡咯和金屬鐵鹽通過(guò)高溫?zé)峤庵苽銯e-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(jié)合鐵和鈷的熱處理制備一類(lèi)M/N/C催化劑(Wu G, et al. Science(科學(xué)), 2011, 332: 443)等等。