[發(fā)明專利]用限域微反應(yīng)器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611236547.7
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106582766B
• 公開（公告）日: 2019-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李忠芳;王素文;盧雪偉
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: B01J27/24
• 分類號: B01J27/24;H01M4/90;C25B1/04
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發(fā)明了用限域微反應(yīng)器制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯的方法，用陽離子表面活性劑改性的蒙脫土的疏水性層狀材料為模板，用可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）為碳源和氮源，用真空輔助的方法，把PBI與過渡金屬的配合物溶液填充到層狀模板劑夾層內(nèi)，且規(guī)則地排列。用陽離子表面活性劑的長鏈烷基來調(diào)控層狀材料的疏水性強(qiáng)弱和層間距，通過調(diào)控層間距在垂直方向限制PBIPBI與過渡金屬的配合物的加入量和在層內(nèi)的排列方式，700~1100℃熱解，制備過渡金屬和氮共摻雜的二維石墨烯。制備的產(chǎn)品用于燃料電池或金屬空氣電池陰極的氧還原催化劑，電解水陽極的氧析出催化劑，超級電容器電極材料等領(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，超級電容器電極材料和電化學(xué)傳感器等領(lǐng)域。

背景技術(shù)

聚苯并咪唑（PBI）是一類性能優(yōu)異的高分子材料，由于分子內(nèi)含有苯并咪唑環(huán)屬于芳香性的剛性環(huán)，分子中咪唑環(huán)上含有咪唑氮，屬于富含氮的芳香型高分子聚合物。全芳香型的PBI，如，聚（2,5-苯并咪唑）（ABPBI）、聚[2, 2’-(間苯基)-5, 5’-聯(lián)苯并咪唑](mPBI)、吡啶基團(tuán)的聚苯并咪唑（PPBI）和帶有吡嗪基團(tuán)的聚苯并咪唑（PzPBI）等等，其結(jié)構(gòu)式分別為：

ABPBI的結(jié)構(gòu)式 mPBI的結(jié)構(gòu)式

PPBI的結(jié)構(gòu)式

PzPBI的結(jié)構(gòu)式

全芳香型的PBI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為形成高分子的所有原子在一個(gè)平面上，分子內(nèi)各原子之間形成一個(gè)大π鍵，分子屬于剛性的，分子之間極易平面型疊加和聚集，如果調(diào)控好其在納米模板劑夾層內(nèi)少量存在和規(guī)則排列，在惰性氣體保護(hù)下，熱解，會發(fā)生脫氫-環(huán)化-碳化等一系列的熱化學(xué)反應(yīng)，最終得到多層氮摻雜石墨烯結(jié)構(gòu)材料。

PBI分子中苯并咪唑環(huán)中的咪唑氮，可以與過渡金屬離子配位，得到，PBI與金屬離子（如Cu、Mn、Fe、Ru、Ti、Mo和Os等）配位后形成的配合物，這些配合物可用于有機(jī)化合物的氧化還原反應(yīng)催化劑（Cameron C G, et al. J Phys Chem B,（（美國）物理化學(xué)學(xué)報(bào) B）2001, 105: 8838），Archivio D研究了多孔PBI樹脂材料的制備方法和性能，并且研究了其與金屬離子配位制備的催化劑（Archivio D,et al. Chem-A Eur J,(歐洲化學(xué)雜志)2000,6(5): 794）。但是，這些配合物不能用于電催化的催化劑，因?yàn)椋@些配合物無電子傳輸性能，不導(dǎo)電，如果要用于電催化劑，必須本身導(dǎo)電或固載到導(dǎo)電的載體上。石墨烯或者氮摻雜石墨烯是一類導(dǎo)電性能非常好的載體或直接用于催化劑。

石墨烯的雜原子（N、P、B和S等）摻雜后其催化性能增強(qiáng)。在各類雜原子摻雜石墨烯中，氮摻雜石墨烯（NG）研究最多， NG中的氮的結(jié)構(gòu)有多種形式，其中，吡啶型氮和吡咯型氮是平面結(jié)構(gòu)，具有催化氧還原活性（聶瑤等, 化工學(xué)報(bào)）, 2015, 66: 3305），相反，三維結(jié)構(gòu)的氮原子沒有活性，所以，催化性能好的氮摻雜石墨烯制備首先要求氮含量要高，進(jìn)而要求吡啶型氮和吡咯型氮的含量要高。也有用尿醛樹脂、三聚氰胺樹脂，聚苯胺和聚吡咯等含氮高分子化合物制備氮摻雜石墨烯的報(bào)道。