[發(fā)明專利]鈷和氮共摻雜的三維石墨烯的制備

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611236602.2
• 申請日: 2016-12-28
• 公開（公告）號: CN106582767B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李忠芳;王素文;岳攀峰
• 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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

發(fā)明了一種用可溶性的全芳香性的聚苯并咪唑（PBI）與鈷鹽形成的配合物規(guī)則排列在納米模板劑顆粒表面，經(jīng)過熱解、去模板等工藝路線制備鈷和氮共摻雜的三維石墨烯的制備方法。PBI選用ABPBI、mPBI等全芳香性的高分子，粘均分子量在2~4萬；PBI與鈷鹽的質(zhì)量比為1:2~2:1；模板劑為納米氧化鎂、氧化鐵、氫氧化鐵等納米顆粒；模板劑粒徑5~50nm；PBI與模板劑質(zhì)量比為3:1~1:3；熱解溫度為700℃~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)

石墨烯是由碳原子組成六邊形結(jié)構(gòu)的二維結(jié)構(gòu)碳材料，由于其具有特殊的理化性能廣闊的應(yīng)用前景受到人們的重視。其作為氧還原催化劑成為電化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一（Raccichini R, et al. Nature materials(自然材料), 2015, 14: 271）。研究表明，氮摻雜石墨烯分子中，由于氮原子具有較大的電負(fù)性，氮原子的引入使得與它鄰近的碳原子帶正電荷，氮原子帶負(fù)電荷，這有利于氧氣的吸附，從而表現(xiàn)出更好的氧還原催化性能(Gong K, et al. Science, 2009, 323(5915):760)。研究發(fā)現(xiàn)，氮摻雜石墨烯其催化氧還原性能會比石墨烯的催化性能更高。

如果含氮基團(tuán)與金屬配位形成M-N-C活性中心，金屬與氮的協(xié)同作用進(jìn)一步提高了其催化性能。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(jìn)一步提高石墨烯的氧還原催化活性。特別是形成三維結(jié)構(gòu)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(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。由于過渡金屬和氮共摻雜的石墨烯具更好的氧還原催化活性、低成本、壽命長、抗甲醇和環(huán)境友好等特點，被認(rèn)為是最具潛力替代鉑基催化劑的非貴金屬燃料電池催化劑之一。其開發(fā)研究受到人們的廣泛重視(Zitolo A, et al.Nature materials(自然材料), 2015,14(9): 937)。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（Jiang H L, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces（美國化學(xué)會-應(yīng)用表面與界面）, 2015, 7 (38): 21511）或氫析出催化劑（Morozan A, et al.J. Electrochem. Soc.(美國電化學(xué)會志), 2015,162: H719）；在傳感器、超級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)報道。金屬、氮摻雜的石墨烯制備方法有很多：如，高溫?zé)峤膺^渡大環(huán)配合物(Ji Y F, et al.Int J Hydrogen Energy(國際氫能雜志), 2010, 35:8117)；熱處理含氮有機(jī)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(xué)) 2009, 324: 71）；用聚苯胺結(jié)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(xué)), 2011, 332: 443) ；聚吡咯與鈷鹽熱解制備氧還原催化劑（Bashyam R & Zelenay P. Nature（自然）, 2006, 433(7):63）等等。