[發(fā)明專(zhuān)利]氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710382619.7
• 申請(qǐng)日: 2017-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107425204B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-12-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉涵;趙艷紅;林雙;吳濤;戰(zhàn)祥連
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 淄博火炬能源有限責(zé)任公司
• 主分類(lèi)號(hào): H01M4/90
• 分類(lèi)號(hào): H01M4/90;H01M4/96;B82Y30/00
• 代理公司: 37212 青島發(fā)思特專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 馬俊榮;王玲玲<國(guó)際申請(qǐng)>=<國(guó)際公布>

本發(fā)明涉及一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應(yīng)用，通過(guò)一步法自組裝前驅(qū)體共聚物，高溫焙燒后制得氮磷共摻雜多孔碳。本發(fā)明制備的催化劑材料孔狀結(jié)構(gòu)明顯，比表面積大，暴露出更多的催化活性位點(diǎn)，有利于提高電催化氧還原的活性。這種使用簡(jiǎn)單的弱相互作用將前驅(qū)體共聚從而進(jìn)一步合成具有一定形貌材料的制備方法步驟簡(jiǎn)單、容易操作，其合成機(jī)制對(duì)未來(lái)大規(guī)模設(shè)計(jì)合成納米材料并應(yīng)用于電催化、超級(jí)電容器、吸附分離等領(lǐng)域研究具有重要的啟發(fā)作用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料、能源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)

多孔碳材料由于比表面積大、孔結(jié)構(gòu)豐富、導(dǎo)電性好、催化活性高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)而成為燃料電池、超級(jí)電容器、吸附分離等諸多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。近年來(lái)已有大量文獻(xiàn)報(bào)道了通過(guò)軟/硬模板法、催化活化法制備不同孔結(jié)構(gòu)的多孔碳材料。比如中國(guó)專(zhuān)利《一種氮磷共摻雜多孔碳催化劑及其制備方法》，其申請(qǐng)?zhí)枮椋?01510888720.0，中國(guó)專(zhuān)利《一種多孔磷-氮共摻雜碳材料及其制備方法》，其申請(qǐng)?zhí)枮?01410189749.5，這些專(zhuān)利大都采用硬模板法，經(jīng)過(guò)多步復(fù)合修飾來(lái)制備氮磷共摻雜多孔碳材料，其合成工藝復(fù)雜，后處理過(guò)程繁瑣，成本較高。中國(guó)專(zhuān)利《一種氮磷共摻雜孔狀碳材料的制備方法及其應(yīng)用》，其申請(qǐng)?zhí)?01610391182.9，通過(guò)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(guò)電化學(xué)還原氧和氧化燃料產(chǎn)生水來(lái)直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，是一種高效、綠色的能量轉(zhuǎn)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(lèi)金屬催化劑大都具有價(jià)格較高、穩(wěn)定性差，且有不耐一氧化碳、甲醇中毒等缺點(diǎn)，不利于商業(yè)化大規(guī)模的應(yīng)用。因此，發(fā)展具有高活性和高穩(wěn)定性的廉價(jià)非金屬催化劑是研究者們的目標(biāo)之一。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)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(yīng)用，本發(fā)明保持了多孔碳結(jié)構(gòu)的形貌，將其應(yīng)用在燃料電池電催化氧還原反應(yīng)中表現(xiàn)出了優(yōu)良的性質(zhì)，成本低、方法簡(jiǎn)單，催化活性高、抗中毒能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，也能夠應(yīng)用于超級(jí)電容器、吸附分離等領(lǐng)域。

本發(fā)明一種氮磷共摻雜多孔碳的制備方法，通過(guò)一步法自組裝前驅(qū)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(guī)則的三維多孔狀結(jié)構(gòu)，孔徑在20-50nm之間，氮磷共摻雜多孔碳結(jié)構(gòu)中均勻分布碳、氮和磷元素。

具體包括以下步驟：

(1)前驅(qū)體共聚物的制備：將三聚氰胺、三磷酸腺苷和水混勻，調(diào)節(jié)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(qū)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(yōu)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(yōu)異的電催化氧化還原性能。

利用鹽酸調(diào)節(jié)前驅(qū)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(jìn)行，惰性氣體為氬氣或者氮?dú)狻?/p>

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

焙燒時(shí)優(yōu)選以2℃·min^-1升溫至700-1000℃。

所述多孔碳材料應(yīng)用于燃料電池氧還原催化劑、超級(jí)電容器或吸附分離。