[發明專利]氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應用

有效

• 申請號: 201710382619.7
• 申請日: 2017-05-26
• 公開（公告）號: CN107425204B
• 公開（公告）日: 2019-12-03
• 發明（設計）人: 王曉涵;趙艷紅;林雙;吳濤;戰祥連
• 申請（專利權）人: 淄博火炬能源有限責任公司
• 主分類號: H01M4/90
• 分類號: H01M4/90;H01M4/96;B82Y30/00
• 代理公司: 37212 青島發思特專利商標代理有限公司
• 代理人: 馬俊榮;王玲玲<國際申請>=<國際公布>

本發明涉及一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應用，通過一步法自組裝前驅體共聚物，高溫焙燒后制得氮磷共摻雜多孔碳。本發明制備的催化劑材料孔狀結構明顯，比表面積大，暴露出更多的催化活性位點，有利于提高電催化氧還原的活性。這種使用簡單的弱相互作用將前驅體共聚從而進一步合成具有一定形貌材料的制備方法步驟簡單、容易操作，其合成機制對未來大規模設計合成納米材料并應用于電催化、超級電容器、吸附分離等領域研究具有重要的啟發作用。

技術領域

本發明屬于材料、能源技術領域，具體涉及一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應用。

背景技術

多孔碳材料由于比表面積大、孔結構豐富、導電性好、催化活性高、穩定性好等特點而成為燃料電池、超級電容器、吸附分離等諸多領域研究的熱點。近年來已有大量文獻報道了通過軟/硬模板法、催化活化法制備不同孔結構的多孔碳材料。比如中國專利《一種氮磷共摻雜多孔碳催化劑及其制備方法》，其申請號為：201510888720.0，中國專利《一種多孔磷-氮共摻雜碳材料及其制備方法》，其申請號為201410189749.5，這些專利大都采用硬模板法，經過多步復合修飾來制備氮磷共摻雜多孔碳材料，其合成工藝復雜，后處理過程繁瑣，成本較高。中國專利《一種氮磷共摻雜孔狀碳材料的制備方法及其應用》，其申請號201610391182.9，通過催化活化法制備孔狀碳材料，但是需要加入金屬鹽作為活化劑，最后再酸化去除金屬元素。

燃料電池是通過電化學還原氧和氧化燃料產生水來直接將化學能轉換為電能，是一種高效、綠色的能量轉換裝置。目前，廣泛使用的陰極氧還原催化劑大多是鉑基貴金屬或者非貴金屬催化劑，但是這類金屬催化劑大都具有價格較高、穩定性差，且有不耐一氧化碳、甲醇中毒等缺點，不利于商業化大規模的應用。因此，發展具有高活性和高穩定性的廉價非金屬催化劑是研究者們的目標之一。

發明內容

本發明的目的在于提供一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應用，本發明保持了多孔碳結構的形貌，將其應用在燃料電池電催化氧還原反應中表現出了優良的性質，成本低、方法簡單，催化活性高、抗中毒能力強、穩定性好，也能夠應用于超級電容器、吸附分離等領域。

本發明一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法，通過一步法自組裝前驅體共聚物，高溫焙燒后制得氮磷共摻雜多孔碳。

所述氮磷共摻雜多孔碳為不規則的三維多孔狀結構，孔徑在20-50nm之間，氮磷共摻雜多孔碳結構中均勻分布碳、氮和磷元素。

具體包括以下步驟：

(1)前驅體共聚物的制備：將三聚氰胺、三磷酸腺苷和水混勻，調節pH值至2.0‐4.5，使共聚物呈白色凝膠狀，然后將干燥得到前驅體共聚物白色粉末；

(2)將步驟(1)中的白色粉末焙燒得到氮磷共摻雜多孔碳。

步驟(1)中，所述三聚氰胺與三磷酸腺苷的摩爾比為3:1-3。

所述三聚氰胺與三磷酸腺苷的添加比例優選為3mmol:1mmol。

上述比例的三聚氰胺與三磷酸腺苷使最終得到的氮磷共摻雜多孔碳具有優異的電催化氧化還原性能。

利用鹽酸調節前驅體共聚物的pH值，鹽酸濃為1mol·L^-1。

所述干燥方法采用冷凍干燥。

步驟(2)中，所述焙燒在惰性氣體下進行，惰性氣體為氬氣或者氮氣。

步驟(2)中，所述焙燒溫度為700-1000℃，焙燒時以1.5-2.5℃·min^-1升溫至700-1000℃，焙燒時間為1.5-2.5h。

焙燒時優選以2℃·min^-1升溫至700-1000℃。

所述多孔碳材料應用于燃料電池氧還原催化劑、超級電容器或吸附分離。